Чертежи двигателя стирлинга. Двигатель Стирлинга: история, принцип работы и перспективы применения

Что такое двигатель Стирлинга и как он работает. Каковы преимущества и недостатки двигателя Стирлинга. Где сегодня применяются двигатели Стирлинга и каковы перспективы их использования в будущем. Как самостоятельно изготовить модель двигателя Стирлинга.

История создания двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга был изобретен шотландским священником Робертом Стирлингом в 1816 году. Однако первые простейшие «двигатели горячего воздуха» были известны еще в конце 17 века. Главным достижением Стирлинга стало добавление узла, названного им «экономом», а сегодня известного как регенератор.

Регенератор значительно повышает эффективность двигателя, удерживая тепло в горячей части, пока рабочее тело охлаждается. Обычно это камера, заполненная проволокой, гранулами или гофрированной фольгой. Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдает тепло регенератору, а при движении обратно — забирает его.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты. Он работает по замкнутому термодинамическому циклу, в котором газ попеременно нагревается и охлаждается. Рабочий цикл состоит из четырех основных этапов:

1. Нагрев газа в нижней части цилиндра от внешнего источника тепла. Давление толкает рабочий поршень вверх.
2. Перемещение разогретого газа в охлаждающую камеру с помощью вытеснительного поршня.
3. Охлаждение и сжатие газа, поршень опускается вниз.
4. Перемещение охлажденного газа обратно в нижнюю часть цилиндра.

Этот цикл повторяется, обеспечивая работу двигателя. Ключевую роль играет разница температур между нагретой и охлажденной частями цилиндра.

Классификация двигателей Стирлинга

Существует три основных типа двигателей Стирлинга:

• Альфа-Стирлинг — два раздельных поршня в отдельных цилиндрах (горячем и холодном)
• Бета-Стирлинг — один цилиндр с горячим и холодным концами, рабочий поршень и вытеснитель
• Гамма-Стирлинг — отдельные цилиндры для рабочего поршня и вытеснителя

Каждый тип имеет свои особенности конструкции и области применения.

Преимущества двигателя Стирлинга

Двигатели Стирлинга обладают рядом важных достоинств:

• Высокий КПД и экономичность
• «Всеядность» — могут работать от различных источников тепла
• Экологичность — низкий уровень выбросов
• Бесшумность работы
• Простота конструкции и высокая надежность
• Возможность работы в обратном режиме (как холодильная машина)

Эти преимущества делают двигатели Стирлинга перспективными для многих применений.

Недостатки и ограничения двигателей Стирлинга

Наряду с достоинствами, у двигателей Стирлинга есть и некоторые недостатки:

• Медленный запуск и набор мощности
• Сложность регулирования мощности
• Необходимость эффективного охлаждения холодной части
• Высокая стоимость производства из-за точных допусков
• Большие габариты и вес по сравнению с ДВС той же мощности

Эти ограничения сдерживают массовое применение двигателей Стирлинга в некоторых областях, например, в автомобилестроении.

Современные области применения двигателей Стирлинга

Несмотря на ограничения, двигатели Стирлинга находят применение во многих сферах:

• Подводные лодки и морские суда
• Автономные энергоустановки
• Солнечные электростанции
• Криогенные установки и холодильные системы
• Космические аппараты
• Маломощные генераторы для удаленных районов

Их используют там, где важны экологичность, бесшумность и возможность работы от различных источников тепла.

Перспективы развития технологии двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга имеют хорошие перспективы развития в будущем:

• Применение в гибридных автомобилях как вспомогательный двигатель
• Использование в мини-ТЭЦ для автономного энергоснабжения
• Развитие солнечных энергоустановок на базе двигателей Стирлинга
• Применение в системах утилизации низкопотенциального тепла
• Создание высокоэффективных криогенных установок

По мере истощения запасов нефти и ужесточения экологических требований двигатели Стирлинга могут стать более конкурентоспособными.

Как самостоятельно изготовить модель двигателя Стирлинга

Для изготовления простейшей модели двигателя Стирлинга в домашних условиях потребуются следующие материалы:

• Две консервные банки разного диаметра
• Стальная проволока для изготовления кривошипно-шатунного механизма
• Пористый материал для вытеснителя (например, пенопласт)
• CD-диск для маховика
• Герметик и клей

Процесс сборки включает следующие основные этапы:

1. Изготовление цилиндров из консервных банок
2. Создание поршня и вытеснителя
3. Сборка кривошипно-шатунного механизма
4. Установка маховика
5. Герметизация конструкции

При сборке важно обеспечить максимальную герметичность и минимальное трение в подвижных частях. Готовую модель можно запустить, нагревая нижнюю часть горелкой.

Как самостоятельно изготовить двигатель Стирлинга.

Как сделать двигатель «Stirling».

 

Пояснение работы двигателя «Stirling».

Начинаем с разметки маховика.

Шесть отверстий не прошли. Получается не красивым.Отверстия маленькие и тело между ними тонкое.

За одно точим противовесы для коленвала. Подшипники запрессованы.В последствии подшипники выпрессованы и на их место нарезано резьба на М3.

Я фрезеровал но можно и напильником.

Это часть шатуна. Остальная часть припаивается ПСРом.

Работа развёрткой над уплотнительной шайбой.

Сверловка станины стирлинга. Отверстие которое связывает вытеснитель с рабочим цилиндром. Сверло на 4,8 под резьбу на М6. Потом её надо заглушить.

Сверловка гильзы рабочего цилиндра,под развёртку.

Сверловка под резьбу на М4.

Как это делалось.

Размеры даны с учётом переделанного.Было изготовлено две пары цилиндр-поршень,на10мм. и на15мм. Были опробованы оба.Если ставить цилиндр на 15мм. то ход поршня будет 11-12мм. и работает не акти. А вот10мм. с ходом на 24мм. самый раз.

Размеры шатунов.К ним припаивается латунная проволока Ф3мм.

Крепёжный узел шатуна.Вариант с подшипниками не прошёл. При затяжки шатуна,подшипник деформируется и создаёт дополнительное трение. Вместо подшипника сделал Al. втулку с болтом.

Размеры некоторых деталей.

Некоторые размеры по маховику.

Некоторые размеры как крепить на валу и сочлинения.

Между охладителем и жаровой камеры ставим асбестовую прокладку на 2-3мм. Желательно и под болты которые стягивают обе детали ставить прокладки паронитовые или что нибудь которое меньше проводит тепло.

Вытеснитель сердце стирлинга он должен быть лёгким и мало проводящим тепло. Шток взят с того же старого винчестера. Это одна из направляющих линейного двигателя.Очень подходит,калённая ,хромированная. Для того чтоб нарезать резьбу обмотал середину промоченной тряпкой,и концы нагрел до красна.

Шатун с рабочим цилиндром. Длина общая 108мм. Из них 32мм это поршень диаметром 10мм.Поршень должен ходить в цилиндр легко,без ощутимых задиров.Для проверки закрываем плотно пальчиком снизу,а сверху вставляем поршень,он должен очень медленно отпускаться вниз.

Планировал так сделать но в процессе работы сделал изменения. Для того чтоб узнать ход рабочего цилиндра,отодвигаем вытеснитель в холодильную камеру,а рабочий цилиндр вытягиваем на 25мм.Нагреваем жаровую камеру .Окуратно под рабочим шатуном ложим линейку,и запоминаем данные. Резко заталкиваем вытеснитель ,и на сколько рабочий цилиндр передвинется это и есть его ход.Этот размер играет очень важную роль.

Вид на рабочий цилиндр. Длина шатуна 83мм. Ход 24мм.Маховичок крепится к валу винтом М4. На фото видна его головка. И таким образом крепится и противовес шатуна вытеснителя.

Вид на шатун вытеснителя.Общая длина с вытеснителем 214мм. Длина шатуна 75мм. Ход 24мм. Обратите внимания на проточку U образной формы на маховик.Сделано для отбора мощности.Задумка была или генератор или через пасик на вентилятор охладителя.Пилон маховика имеет размеры 68х25х15. С верхней части фрезеровано с одной стороны на глубину 7мм.и длина 32мм.Центр подшипника снизу находится на 55мм. Крепится снизу двумя болтами на М4.Расстояние между центрами пилонов 126мм.

Вид на жаровую камеру и охладителя.Корпус двигателя запрессован в пилон.Размеры пилона 47х25х15 углубление под посадку 12мм.К доске снизу крепится двумя болтами на М4.

Лампада 40мм. в диаметре высота 35мм. Углублена в древку на 8мм. На дне по центру запаяна гайка на М4 и закреплена болтом снизу.

Готовый вид. Основание дуб 300х150х15мм.

Шильдик.

Долго искал рабочую схему. Находил но всегда было связанно с тем что или с оборудованием проблемы или с материалами.Решил сделать как арбалет. Посмотрев много вариантов и прикидывал что у меня есть в наличии и что я смогу сделать самому на своём оборудовании.Те размеры что я прикидывал сразу,при собранном аппарате мне не понравилось.Получился слишком широким. Пришлось станину цилиндров укоротить. А маховик ставить на одном подшипнике(на одном пилоне).Материалы маховик,шатуны,противовес,уплотнительная шайба,лампада и рабочий цилиндр бронза.Пилоны,рабочий поршень,станина цилиндров охладитель и шайба с резьбой от жаровой камеры алюминий.Вал маховика и шток вытеснителя сталь.Жаровая камера нержавейка.Вытеснитель графит. А что получилось ставлю на обозрение,вам судить.

 

Статья приведена без изменений с сайта автора:  http://culibinc.narod.ru
Автор статьи Казаку Анатолий Иванович

Об авторе Вячеслав Васильев

Руководитель проекта «Заряд»

Самодельный двигатель Стирлинга | Каталог самоделок

Данный двигатель представляет собой устройство, работающее с использованием тепловой энергии. Источник тепла для его функционирования может избираться любой. Главным аспектом для работоспособности двигателя является температурная разница.

Щелкните для просмотра двигателя в работеЩелкните для просмотра двигателя в работе

В этой статье представлена модель подобного двигателя, изготовленная из банки от напитка «Кока-кола».

Для создания устройства понадобятся следующие материалы и инструменты:

• детский надувной шар,
• алюминиевые банки из-под «Кока-колы» в количестве 3 штук,
• 5 электрических клемм на 5А,
• 2 ниппеля для последующего крепления спиц велосипеда,
• металлическая вата,
• отрезок проволоки из стали, длина которого составляет 30 см, а сечение – 1 мм,
• отрезок стальной или медной проволоки, диаметр которой составляет от 1,6 мм до 2,
• деревянный стержень длиной в 1 см, диаметр которого составляет 20 мм,
• пластиковая крышка бутылки из-под напитка,
• 30 см электропроводов,
• суперклей,
• 2 см2 вулканизированной резины,
• 30 см рыболовной лески,
• никелевые грузила для балансировки в количестве 2 штук,
• 3 CD-диска,
• кнопки канцелярские,
• дополнительная банка из жести для последующего изготовления топки,
• банка из-под консервов для обеспечения водяного охлаждения,
• теплоустойчивый силикон.

 

На первом этапе отрежьте верхушки двух банок. Если эта задача плохо осуществляется посредством ножниц, избавьтесь от образовавшихся зазубрин, используя напильник.

С помощью ножа удалите дно банки.

Далее вам понадобится усиленный вулканизированной резиной воздушный шарик. Разрежьте его и, следуя фото, натяните на банку. В центральной части диафрагмы приклейте фрагмент вулканизированной резины. Дайте клею застыть и пробейте в середине диафрагмы отверстие, с тем чтобы позже провести в него проволоку. Эту операцию можно осуществить посредством канцелярской кнопки. Оставьте ее в проделанном отверстии вплоть до момента сборки.

 

Просверлите в стенках крышки два отверстия, диаметр которых должен составлять 2 мм. В дальнейшем они пригодятся для монтажа поворотной оси рычагов.

В донышке проделайте еще одно отверстие, необходимое для прохождения проволоки, связанной с вытеснителем.

Согласно демонстрационному фото, используя хозяйственные ножницы, обрежьте крышку для предотвращения помех, которые могут возникнуть у цепляющейся за края проволоки.

После проделанных манипуляций просверлите в банке два предназначенных для подшипников отверстия. Используйте в этих целях сверло диаметром 3,5 мм.

 

Для наблюдения за работой всех узлов будущего устройства проделайте в корпусе изготавливаемого двигателя смотровое окно.

Очистите приготовленные клеммы от пластиковой изоляции. Используя дрель, просверлите по краям трех клемм сквозные отверстия. Две клеммы не используются на данном этапе.

Далее необходимо изготовить рычаги. Для этого используйте отрезки медной проволоки диаметром 1,88 мм. Согните спицы, следуя представленным ниже фото.

Пришла очередь двух велосипедных ниппелей. С их помощью изготовьте подшипники. Диаметр просверленных насквозь отверстий должен составлять 2 мм.

Непосредственно через смотровое стекло установите рычаги. Учтите, что один конец проволоки должен быть длиннее, чтобы в последующем установить на нем махровое колесо. Проконтролируйте плотность посадки подшипников. В случае наличии люфта приклейте их.

Из применяемой для полировки стальной ваты изготовьте вытеснитель. С этой целью сделайте крючок из стальной проволоки и намотайте на отрезок необходимое количество ваты. Размер вытеснителя должен позволить ему беспрепятственно перемещаться в полости банки. Его высота не должна превышать пяти сантиметров.

С одной стороны ваты должна образоваться проволочная спираль, не выходящая за пределы материала, а с другой – проволочная петля, к которой впоследствии нужно привязать леску и протянуть ее сквозь центральную часть диафрагмы.

Внутри емкости следует поместить вулканизированную резину.

На следующем этапе необходимо вырезать дно банки, оставив от ее основания около 2,5 см. В резервуар поместите вытеснитель и диафрагму. Установите данный механизм в конце банки. Натяните диафрагму, чтобы предотвратить ее провисание.

Сквозь не просверленную клемму протяните леску. Приклейте узелок, лишив его возможности двигаться. Тщательно смажьте проволоку маслом. Убедитесь, что вытеснитель без помех тянет леску.

С помощью отрезка медной проволоки длиной 15 см соедините тяги диафрагмы и рычагов.
Вооружившись тремя СД-дисками и деревянным стержнем, приступайте к изготовлению маховика. После его монтажа загните стержень коленчатого вала, тем самым предотвратив падение маховика. Соберите весь механизм в единое целое.

В качестве топки запланировано использование жестяной банки. Для установки и поджигания свечи вырежьте в ней смотровое окно.

Для сглаживания острых краев окантуйте арку посредством электрокабеля.
Обязательно протестируйте двигатель. Для этого поставьте его на топку и зажгите внутри нее свечу. В случае правильной сборки маховик придет в состояние вращения. В противном случае ищите проблему. Убедитесь, что все тщательно смазано и герметизировано.

Желая повысить КПД двигателя, добавьте кожух водяного охлаждения.

Двигатель Стирлинга

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

У двигателя внутреннего сгорания есть альтернатива?

Мой проект начался именно с этого вопроса. Конечно, есть. Это внешний двигатель или Двигатель Стирлинга.

Двигатель Стирлинга в наше время не самое распространённое устройство, его увидеть в современном мире большая редкость, хотя используют его в некоторых сферах деятельности, таких как: в современных моделях подводных лодок, автомобильной технике, или даже на космических станциях. Когда запасы нефти будут заканчиваться, в будущем, за счёт своей практичности и высокого КПД двигатели смогут конкурировать с дизельными двигателями. Двигатели могут устанавливаться на мини ТЭЦ или их энергией можно будет питать целый город.

Основой современной цивилизации по праву можно считать двигатели. С их помощью обеспечивается рост производства. Благодаря этим установкам человек получает энергию, свет, тепло, информацию. Экономия в энергетике скоро станет неизбежной, так как природные ресурсы истощаются. В сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой Двигатель Стирлинга может оказаться главным в двигательных установках для автомобилей и вообще для транспорта при сложившихся обстоятельствах.

Можно отметить широкое применение двигателей Стирлинга в тепловых насосах и холодильных системах. Двигатель Стирлинга используется для стационарных энергетических систем в широком диапазоне мощностей.

Из всего выше сказанного возникает противоречие: идея есть — производства нет.

У двигателя Стирлинга так же есть ключевые характеристики, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования в легковых и грузовых автомобилях. У двигателя Стирлинга источник тепла является внешним, то соответственно ему требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подаваемого на цилиндр — требуется время, чтобы тепло проходило через стенки цилиндра и нагревало газ внутри двигателя. Соответственно двигателю необходимо время для прогрева, то есть для того, чтобы выработать полезную работу, так как он не может быстро изменить свою выходную мощность.

Эти недостатки и способствуют тому, что двигатель Стирлинга вряд ли заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее, гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга может быть целесообразным.

В настоящее время западные фирмы, ведущие разработки в данной области, в основном опираются на теоретические и экспериментальные исследования своих научных подразделений, технических университетов или создают технопарки по разработки отдельных типов машин Стирлинга.

Но на промышленный выпуск данных устройств ни одна страна ещё не вышла.

Не до конца изучен вопрос, дорого, времязатратно. Тем ни менее экологичность двигателя обусловлена экологичностью источника тепла и возможностью обеспечить полноту сгорания топлива.

Проблема: так как разработка двигателя Стирлинга уделено недостаточно времени, экологичные «Стирлинги» сегодня не нашли широкого использования в жизнедеятельности человека.

Над данной проблемой учёные работают уже не один год.

В процессе работы по изучению материалов создания двигателя Стирлинга мною были изучены следующие документы: Научная статья «Двигатели Стирлинга — технологический прорыв в автономной энергетике XXI века». Автор: Н.Г. Кириллов, доктор технических наук, академик Академии военных наук, Заслуженный изобретатель РФ [1]. Научная статья «Стирлинг по-русски» Автор: доктор технических наук В. Нисковских (г. Екатеринбург) [2].

Вывод: к сожалению, на государственном уровне в России разработкой машин Стирлинга никто не занимается. Это связано с общим экономическим спадом, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в 15 организациях военно-промышленного комплекса. В настоящее время важно отметить отсутствие в России серийного производства конкурентоспособных энергетических установок мощностью от 1 до 50 кВт.

Разработку и производство данного устройства можно считать новой технологией, которая открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом не газифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик и т.д. Она также поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло – силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Цель проекта: создание трёх моделей двигателя Стирлинга и апробация их работы в домашних условиях.

Задачи проекта:

Проанализировать материал на тему история создания двигателя Стирлинга.

Используя информационные источники провести анализ моделей двигателя Стирлинга.

Подобрать подходящий проект модели двигателя.

Создать действующую модель двигателя Стирлинга в домашних условиях.

В процессе работы были использованы следующие методы:

Метод сбора информации: анализ научной литературы на тему история создания и принцип действия Двигателя Стирлинга.

Метод обработки и анализа моделей двигателя Стирлинга.

Экспериментальный метод: подбор модели Двигателя Стирлинга; сборка, запуск и тестирование готовой модели Двигателя Стирлинга.

Наблюдение.

Объект исследования: перспективность внешнего двигателя.

Предмет исследования: модель двигателя Стирлинга.

Я решил разобраться с данной проблемой, создав свою модель двигателя Стирлинга.

По моему мнению, изучение возможности использования двигателя Стирлинга для работы стационарных энергетических систем и в производстве, является крайне важным вопросом в сфере энергоснабжения.

Гипотезой моей работы явилось предположение, что я изготовлю в домашних условиях действующую модель двигателя Стирлинга.

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА [3]

Изучив материал по данной теме, я узнал, что двигатель Стирлинга был запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 год (английский патент № 4081 1819). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ) [4]. Это машина, которая работает по замкнутому термодинамическому циклу. Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны по закону: PV=nRT

РАБОЧИЙ ЦИКЛ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).	Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.	Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.	Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

КЛАССИФИКАЦИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ [5]

Современная схема классификации и идентификации двигателей Стирлинга включает следующие три признака, которые мною взяты за основу систематизации существующих и будущих форм двигателей:

а) режим работы;

б) способ соединения цилиндров;

в) способ соединения поршней.

Имеются три типа соединения цилиндров.

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике.
Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую, через регенератор. Регенератор может быть внешним, частью теплообменника, или совмещённым с поршнем-вытеснителем.
Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Поиск, отбор и анализ информационных источников, в том числе и цифровых ресурсов [6], занял определенное количество времени, в итоге я решил собрать три модели двигателя Стирлинга.

1 МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Данная модель двигателя была собрана из подручных материалов, в частности две жестяные банки, поршень для холодного цилиндра из эпоксидки, для горячего из губки, коленчатый вал и шатуны собраны из скрепок.

Составные части модели двигателя Стирлинга:

Маховик

Арматура двигателя удерживающая коленчатый вал и маховик

Шатун

Шатун

Цилиндр с горячим телом

Топливный отсек

Коленчатый вал

Цилиндр с холодным телом

Вывод: данная модель двигателя Стирлинга запустилась в работу, но вырабатывала, на мой взгляд, не достаточное количество энергии, по причине несовершенства конструкции и примененных материалов. Основными причинами могут быть: большого трения при вращении и большая потеря тепла.

2 МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень. Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Вывод: данная модель двигателя Стирлинга заработала, но через несколько минут вышла из строя по причине несовершенства конструкции и примененных материалов.

Недостатки модели, следующие: для обеспечения герметичности цилиндров использован силиконовый герметик который расплавился от контакта с горячим концом цилиндра. Вторым слабым местом оказался шатунный механизм со стороны большого цилиндра и отверстие большого цилиндра, в которое входит шток шатунного механизма: это самая сложная часть конструкции и она время от времени заедала, что приводило к перегреву воздуха.

3 МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА

Данная модель двигателя была собрана из готовых деталей, выполненных на заводе.

Эта модель двигателя Стирлинга прошла тест – испытание, не только заработала, но и с её помощью я смог запитать лампочку, которая горела достаточно ярко.

Рис.6 Модель двигателя Стирлинга

Составные части модели двигателя Стирлинга:

Маховик

Электромотор в роли генератора для съема мощности

«Холодный» цилиндр

«Горячий» цилиндр

Подставка под конструкцию двигателя

Место для нагревателя

Потребитель электричества (Лампочка)

Вывод: Данная модель двигателя Стирлинга работает.

Рекомендации по работе с данной моделью: необходимо смазывать ходовые части конструкции для уменьшения трения, пламя горелки должно быть достаточным для того, чтобы двигатель как можно быстрее завёлся и работал продолжительное время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследуемой работы были получены следующие результаты:

Выяснил, во — первых, на автомобильном рынке двигатель с внешним подводом теплоты сегодня может стать очень популярным, во — вторых, двигатель Стирлинга можно отнести к наиболее экологичным установкам, в — третьих, в настоящее время двигатель Стирлинга стали широко использовать, не только как автомобильные двигатели, но и в качестве криогенных газовых машин, в качестве рефрижераторных установок, а так же как электрогенераторы малой мощности, двигатели для морских судов, подводные энергетические системы, солнечные энергетические установки. Двигатель Стирлинга бесшумный и у него нет выбросов горючих газов.

Выяснил, что существует три основных модели двигателя Стирлинга, которые широко применяются, что обусловлено их компактностью, как преобразователя тепловой энергии, простотой установки, высокой эффективностью в сравнении с другими тепловыми двигателями, широким использованием для превращения в электроэнергию любой теплоты.

Убедился, что на двигатели Стирлинга возлагают большие надежды по созданию солнечных электроустановок. Важным моментом является и то, что Стирлинги выгодно применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах. С помощью двигателя можно запасать энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей, может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Преимущества: «Всеядность двигателя», простота конструкции, увеличенный ресурс, экономичность, бесшумность, экологичность.

В процессе анализа имеющейся информации по данной теме, разработал наиболее оптимальный проект модели двигателя, таких проектов получилось три. В ходе работы реализовал каждый из проектов и опробовал их в процессе работы.

Гипотезой моей работы явилось предположение, что я изготовлю в домашних условиях действующую модель двигателя Стирлинга. В ходе работы над проектом моя гипотеза подтвердилась.

Мною сделаны следующие выводы: при использовании рабочей модели двигателя Стирлинга важно учитывать все составляющие компоненты работы прибора, использовать детали для сборки, выполненные на профессиональных станках, не забывать про смазочные материалы, которые уменьшают трение в процессе работы двигателя.

Перспективы: в будущем я планирую усовершенствовать свои модели двигателей Стрилинга и довести их до рабочего состояния в каждой из конфигураций, а также применить их для питания потребителей электрической энергии.

Результаты данной работы можно использовать на уроках и внеурочных занятиях физики.

ЛИТЕРАТУРА

«Двигатели Стирлинга — технологический прорыв в автономной энергетике XXI века». Автор: Н.Г. Кириллов, доктор технических наук, академик Академии военных наук, Заслуженный изобретатель РФ.

«Стирлинг по-русски» Автор: доктор технических наук В. Нисковских (г. Екатеринбург).

Двигатель Стирлинга [Электронный ресурс] URL: https://ruwikiorg.ru/wiki/

Роторно–лопастные машины с внешним подводом теплоты [Электронный ресурс] URL: https://www.sites.google.com/site/deltat2011/rldvp/project-definition

Сайт Стирлинг Машины [Электронный ресурс] URL: http://stirlingmotors.ru/

Н. Кириллов, И. Затеев Двигатель Стирлинга. История, перспективы — журнал «Альтернативный киловатт»

Международный научно – исследовательский журнал [Электронный ресурс] URL: https://research-journal.org/technical/mnogotoplivnaya-elektrostanciya-sverxmaloj-moshhnosti-s-teplovym-dvigatelem-vneshnego-sgoraniya-sposobnaya-effektivno-rabotat-v-usloviyax-selskoj-mestno

Как сделать двигатель Стирлинга своими руками

Двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, в которой рабочее тело (газообразное или жидкое) двигается в замкнутом объёме, по сути это разновидность двигателя внешнего сгорания. Этот механизм основан на принципе периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Извлечение энергии происходит из возникающего объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга работает не только от энергии сгорающего топлива, но и от практически любого источника тепловой энергии. Запатентован этот механизм шотландцем Робертом Стирлингом в 1816 году.

Описанный механизм, несмотря на невысокий КПД, имеет ряд преимуществ, в первую очередь это простота и неприхотливость. Благодаря этому многие конструкторы-любители совершают попытки собрать двигатель Стирлинга своими руками. Некоторым это удается, а некоторым нет.

В этой статье мы рассмотрим, как сделать двигатель Стирлинга своими руками из подручных материалов. Нам понадобятся следующие заготовки и инструменты: консервная банка (можно из-под шпрот), листовая жесть, канцелярские скрепки, поролон, резинка, пакет, кусачки, медная проволока, плоскогубцы, ножницы, паяльник, наждачная бумага.

Теперь приступим к сборке. Вот подробная инструкция к тому, как сделать двигатель Стирлинга своими руками. Сначала необходимо вымыть банку, зачистить наждачной бумагой края. Вырезаем из листовой жести круг таким образом, чтобы он лег на внутренние края банки. Определяем центр (для этого воспользуемся штангенциркулем или линейкой), делаем ножницами отверстие. Далее берем медную проволоку и канцелярскую скрепку, выпрямляем скрепку, на конце делаем кольцо. Наматываем на скрепку проволоку — четыре плотных витка. Далее паяльником пролудим полученную спираль небольшим количеством припоя. Потом необходимо аккуратно спираль припаять к отверстию в крышке таким образом, чтобы шток получился перпендикулярным крышке. Скрепка должна двигаться свободно.

После этого необходимо сделать в крышке сообщающееся отверстие. Из поролона делаем вытеснитель. Его диаметр должен быть немного меньше диаметра банки, но при этом не должно быть большого зазора. Высота вытеснителя – немногим больше половины банки. Вырезаем в поролоне по центру отверстие для втулки, последнюю можно изготовить из резины или пробки. Вставляем в полученную втулку шток и все заклеиваем. Вытеснитель необходимо размещать параллельно крышке, это важное условие. Далее остается закрыть банку и запаять края. Шов должен быть герметичным. Теперь приступаем к изготовлению рабочего цилиндра. Для этого вырезаем из жести полосу длиной 60 мм и шириной 25 мм, загибаем плоскогубцами край на 2 мм. Формируем гильзу, после этого спаиваем край, далее необходимо припаять гильзу к крышке (над отверстием).

Теперь можно приступить к изготовлению мембраны. Для этого отрезаем от пакета кусок пленки, немного продавливаем его пальцем внутрь, резинкой прижимаем края. Далее необходимо проверить правильность сборки. Нагреваем на огне дно банки, тянем за шток. В результате мембрана должна выгибаться наружу, а если шток отпустить, вытеснитель под собственным весом должен опуститься, соответственно, мембрана возвращается на место. В том случае, если вытеснитель сделан неправильно или пайка банки не герметична, шток не вернется на место. После этого делаем коленвал и стойки (разнос кривошипов должен составить 90 градусов). Высота кривошипов должна составлять 7 мм, а вытеснителей 5 мм. Длина шатунов определена положением коленвала. Конец кривошипа вставляется в пробку. Вот мы и рассмотрели, как собрать двигатель Стирлинга своими руками.

Такой механизм будет работать от обычной свечки. Если прикрепить к маховику магниты и взять катушку аквариумного компрессора, то такое устройство способно заменить простой электродвигатель. Своими руками, как вы видите, сделать такой прибор совсем не сложно. Было бы желание.

Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?: engineering_ru — LiveJournal

   Как и большинство «виртуальных стирлингостроителей», заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя «Стирлинга», столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике. Вот то, что смог нарыть в Интернет.

  1.  Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур),но при условии «идеального» регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
  2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями — горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
  3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра — горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

   К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) – чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики – такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристиками, как удельная мощность и оборотистость, чтобы противопоставить «стирлинги» ДВС, а КПД приносят в жертву.

   Но ведь можно оставить пока гонки с ДВС на транспорте и сосредоточится на стационарных двигателях Стирлинга, работая над повышением их КПД и удешевлением конструкции.  Работающие на любом виде топлива, в том числе и на солнечной энергии,  эти двигатели могут, в перспективе, конкурировать с солнечными батареями. И у них неплохие перспективы в области возобновляемой энергии, в том числе древесное топливо, которое за счет солнечной энергии «восстанавливается» за несколько десятилетий. И опять же, всеядность этих двигателей позволяет создавать электростанции (в том числе бытовые) комбинированного типа – пока есть солнце, работает от солнечной энергии, когда нет, то на твердом топливе.

   Правда, достижение высокого КПД, это не единственное направление, за которое стоит бороться, двигатели Стирлинга имеют еще один недостаток – так как источник тепла находится за пределами объема двигателя, а рабочее тело (газ) имеет низкую теплопроводность, то получается, что в работе участвует только газ, находящийся у стенок цилиндра. А значит, что отношение роста мощности к увеличению объема цилиндра, находится в обратной квадратичной зависимости. То есть, чтобы увеличить мощность в 5 раз, надо увеличить объем цилиндра в 25 раз.
   Именно поэтому, на заре «стирлингостроения» более-менее мощные двигатели были массивнее даже паровых машин при той же мощности. Сейчас эта проблема решается путем накачки двигателя газом под большим давлением, то есть увеличивается масса рабочего тела при том же объеме. Но этот путь тоже тупиковый – в двигателях больше пары литров, опять же, стоит та же проблема, квадратичное отношение роста объема к росту мощности. Да и проблемы с утечкой рабочего тела при давлениях в 100-200 атмосфер трудно решить.

   На этом фоне, более перспективным видится другое решение – заставить работать весь газ внутри двигателя, независимо от объема. Такое решение, несмотря на простоту реализации было предложено только недавно (источник — http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) — поставить насос или вентилятор, которые будут создавать потоки газа внутри двигателя. И, по аналогии с вентилятором, дующим на радиатор, будет увеличиваться скорость охлаждения стенок цилиндров рабочим газом двигателя и обеспечиваться максимальное участие этого газа в работе, независимо от размера цилиндра. По идее, это должно дать толчок развитию двигателей Стирлинга, так как позволяет создавать довольно простые и мощные варианты этих двигателей.
   А если не гнаться за массогабаритными показателями автомобильных ДВС, то, может быть, скоро мы наконец то услышим о двигателях, работающих на дровах или солнечной энергии, с КПД 60-70%. И пусть они не смогут конкурировать по размерам с ДВС, но зато могут обеспечить выработку дешевой электроэнергии. А это, в свою очередь, может поспособствовать увеличению экономической целесообразности электромобилей. Ну, а в сочетании с получающими распространение пиролизными  котлами, может привести к полной автономии в энергоснабжении жилья (особенно новых домов, для подключения которых к электросети и газопроводу требуется немалая сумма).

   Вот как-то так. Буду рад услышать критику моих выкладок.

Двигатель Стирлинга

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
25321 2

Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы [2], поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схема и принцип действия двигателя Стирлинга:
1 — цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя.

В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4, который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.

В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).

После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД, который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.

Рис. 2. Схема двигателя Стирлинга с регенератором и ромбическим кривошипно-шатунным механизмом:
1 — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — радиатор; 4 — регенератор; 5 — подогреватель с форсункой; 6 — трубки подогревателя; 7 — вход воздуха в подогреватель; 8 — выход отработавших газов из подогревателя.

Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» («Philips» – Нидерланды). Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 2.

Поршень 2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8.

В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ.

Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Соединение теплового аккумулятора тепла с головкой цилиндра двигатели Стирлинга:
1 — резервуар с LiF; 2 — жидкий натрий; 3 — нагревательная спираль; 4 — теплоизоляция.

В нижней части рис. 2 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б, то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б.

Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.

Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.

У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.

Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.

Зависимость индикаторного КПД η_i от удельной литровой мощности N_уд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 4. Температура в подогревателе равна 700 °C, охлаждающей жидкости — 25 °C. Рабочее давление газа составило 11 МПа.

Рис. 4. Зависимость индикаторного КПД ηi двигателя Стерлинга от его удельной литровой мощности при различных видах рабочего тела. Цифры на кривых — частота вращения двигателя в мин-1.

На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин^-1). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.

Рис. 5. Уплотнение штока поршня:
C — насосное кольцо; R — регулятор давления.

Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 5). Диаметры d и d₂ выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо C выполняет функцию насосного элемента, а регулятор R поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.

Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом приведен на рис. 6. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стерлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.

Рис. 6. Схематический разрез одноцилиндрового двигателя Стерлинга:
1 — выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 — горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень-вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра; 8 — шток поршня-вытеснителя; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; 11 — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 — шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытеснителя; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 — коленчатый вал.

Схема соединения соседних цилиндров с таким расположением кривошипов показана на рис. 7. Соединительные трубопроводы связывают горячую камеру, подогреватель, регенератор, радиатор и холодную камеру. Два коленчатых вала вращаются в одном направлении и связаны с поршнями через крейцкопфный механизм. В нижней части рис. 7 на диаграммах жирной линией обозначены фазы цикла, соответствующие положениям 1—4 поршней. Для привода поршней используется или четырехопорный коленчатый вал (двигатели шведской фирмы «Юнайтед Стирлинг») или же наклонная шайба (двигатель «Филипс 4-215DA»).

На рис. 7 показаны последовательные этапы 1—2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.

Рис. 7. Схема работы двигателя Стерлинга с поршнем двойного действия:
А — горячая камера; Б — подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера.

В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.

Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стерлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин-1.

Рис. 8. Изменение крутящего момента по углу поворота коленчатого вала в четырехцилиндровом бензиновом двигателе (А) и двигателе Стирлнига с поршнем двойного действия (Б) [3]

Мощность двигателя зависит от среднего рабочего давления. У двигателя «Филипс» это давление составляло около 20 МПа. Чтобы избежать прижатия поршня к стенке цилиндра, был применен уже упомянутый ромбический механизм и, кроме того, под рабочим поршнем была образована камера, в которой поддерживалось среднее рабочее давление газа. В этих условиях кривошипно-шатунный механизм испытывает нагрузки вследствие небольших отклонений от этого давления, а также действие инерционных сил, поскольку давление газов в цилиндре меняется незначительно. На рис. 8 приведены мгновенные значения относительного крутящего момента M_τ/M_ср двигателя Стирлинга и дизельного двигателя за один оборот коленчатого вала [3].

Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.

Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были небольшими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 9. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

Рис. 9. Четырехцилиндровый бесшатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбой

Рис. 10. Четырехцилиндровый рядный двигатель Стирлинга с ромбическим кривошипно-шатунным механизмом

В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 10, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см³), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин^-1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °C, а охлаждающей жидкости — на уровне 60 °C. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до достижения температуры головки цилиндра 700 °C длятся около 20 с. При температуре воды 55 °C индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 %. Удельная мощность 156 кВт/дм³, а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.

Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 DA», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 9. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия расположены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание NOx в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.

Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 DA» — 73 мм, ход поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин^-1. Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °C, а охлаждающей жидкости — 64 °C.

Рис. 11. Четырехцилиндровый V-образный двигатель Стирлинга фирмы «Юнайтед Стирлинг»:
1 — подогреватель; 2 — трубки подогревателя; 3 — теплообменник; 4 — генератор; 5 — радиатор.

Шведская фирма «Юнайтед Стерлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двойного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образного двигателя изображен на рис. 11. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.

Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1–7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.

Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.

Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании е качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.

Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.

Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 4).

Опубликовано 24.03.2014

Читайте также

• Подушка безопасности для пешехода

  Очередной инновацией стала подушка безопасности для пешехода. Подушка расположена между капотом и лобовым стеклом и, надуваясь при ударе, ловит на себя сбитого пешехода.

• Первый электромобиль в России – электромобили Романова

  В 1889 году Ипполит Романов сконструировал первый российский электромобиль и хотел наладить городское электрическое сообщение. Но электромобили Романова не появились массово на улицах городов – мечте не суждено было сбыться.

Сноски

1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 22 — 23 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
2. ↺ В настоящий момент двигатели Стирлинга используются на солнечных электростанциях. – Прим. icarbio.ru
3. ↺ В книге – опечатка либо дизельный, либо бензиновый двигатель. – Прим. icarbio.ru

Комментарии

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом, который стремился создать более безопасную альтернативу паровым двигателям, котлы которых часто взрывались из-за высокого давления пара и ограничений примитивных материалов, доступных в то время.Как и другие тепловые двигатели, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую. Однако существенные особенности двигателя Стирлинга заключаются в том, что это двигатель внешнего сгорания с замкнутым циклом. Это означает, что он использует фиксированное количество рабочей жидкости, обычно воздуха, но могут использоваться и другие газы, заключенные в герметичный контейнер, а тепло, потребляемое двигателем, передается извне. Это позволяет двигателю работать практически от любого источника тепла, включая ископаемое топливо, горячий воздух, солнечную, химическую и ядерную энергию.Он также может работать с очень низкими перепадами температур, всего 7 ° C, между источником тепла и радиатором, так что он может работать от тепла тела и даже пара от чашки кофе. Поскольку он может использовать тепло постоянного пламени и не зависит от взрывов, как в двигателе внутреннего сгорания, двигатель работает бесшумно. На приведенной выше диаграмме показаны три альтернативных источника тепла, которые обычно используются в электроэнергетике. Принцип работы Двигатель Стирлинга основан на свойстве газов: они расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. (Закон Чарльза). Если газ содержится в фиксированном объеме, его давление будет увеличиваться при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Если газ находится в контейнере переменного объема, состоящем из подвижного поршня в цилиндре, закрытом с одного конца, давление увеличивается и уменьшается, заставляя поршень двигаться наружу и внутрь.Повторяющиеся нагрев и охлаждение вызовут возвратно-поступательное движение поршня, которое можно преобразовать во вращательное движение с помощью обычного шатуна и коленчатого вала с маховиком. К сожалению, скорость, с которой температура газа может изменяться путем нагрева и охлаждения цилиндра, ограничена большой теплоемкостью практических поршней и цилиндров. Однако эту проблему можно решить, поддерживая на одном конце цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом конце — постоянную холодную температуру и перемещая газ от одного конца цилиндра к другому.Это достигается с помощью поршня с неплотной посадкой, известного как вытеснитель, который перемещается вперед и назад внутри цилиндра, таким образом перемещая газ от одного конца к другому. При перемещении буйка газ выходит из зазора между буйком и стенкой цилиндра. Вытеснитель сам по себе не производит энергии и использует достаточно энергии только для циркуляции газа внутри цилиндра. Мощность извлекается из тепловой системы за счет изменения объема / давления газа на холодном конце цилиндра, чтобы толкать отдельный «силовой поршень» вперед и назад.Возможно множество различных конфигураций поршня и буйка, и ниже приведены примеры, иллюстрирующие наиболее распространенные типы. Эффективность преобразования Теоретический КПД двигателя Стирлинга η определяется законом Карно следующим образом: η = (T h — T c ) / T h или η = 1 — T c / T h Где T c — это температура газа в холодном состоянии, а T h — это температура газа в горячем состоянии. Изготовлены практические двигатели с КПД 50%. Это вдвое выше обычного КПД двигателя внутреннего сгорания, который имеет большие потери на перекачивание и воздушный поток в двигателе, а также тепловые потери через выхлопные газы и систему охлаждения. См. Также Тепловые двигатели Доступная мощность Хотя двигатель обладает высокой эффективностью преобразования энергии, он, к сожалению, имеет низкую удельную мощность, поскольку она достаточно велика для производимой мощности, и это ограничивает диапазон его использования приложениями с низким энергопотреблением.Удельная мощность может быть увеличена за счет использования более высокого давления газа и альтернативных рабочих газов для увеличения теплоемкости газа. См. Приложения ниже. Типы двигателей Стирлинга Двигатели Стирлинга бывают разных форм и форм. Большинство из них представляют собой варианты четырех основных конфигураций: альфа, бета, гамма и конструкции двойного действия, показанные на диаграмме ниже. Двигатель Стирлинга (альфа-конфигурация) Фиксированное количество воздуха или другой рабочей жидкости заключено в два цилиндра, один горячий и один холодный, и перемещается вперед и назад между ними.Воздух нагревается и расширяется в горячем цилиндре и охлаждается в холодном цилиндре, где он сжимается, отдавая свою энергию для выполнения механической работы в процессе. Примечание: Два поршня соединены с коленчатым валом, но их движения не совпадают по фазе на 90 градусов друг с другом. Это означает, что когда один поршень находится вверху или внизу своего хода, другой будет находиться на полпути между вершиной и основанием. Было разработано множество оригинальных механизмов, обеспечивающих замедленное движение между поршнями.Здесь для простоты показаны только простые коленчатые валы. 1. Рабочая жидкость (газ) нагревается и расширяется, толкая горячий поршень ко дну цилиндра, вращая коленчатый вал, тем самым извлекая работу из горячего газа.Расширение продолжается, заставляя газ течь в сторону холодного цилиндра. Поршень в холодном цилиндре, который находится на 90 градусов (четверть оборота) позади горячего поршня в своем цикле, также толкается вниз, извлекая больше работы из горячего газа. 2. Теперь объем газа максимален. Импульс маховика на коленчатом валу теперь толкает поршень в горячем цилиндре к вершине его хода, заставляя большую часть газа в холодный цилиндр толкать холодный поршень вниз.В холодном баллоне газ остывает и его давление падает. 3. Когда горячий поршень достигает верхней точки своего хода, почти весь газ переходит в холодный цилиндр, где продолжается охлаждение и газ сжимается, еще больше снижая давление. Пониженное давление позволяет холодному поршню подниматься. Сила импульса маховика сжимает газ и заставляет его возвращаться к горячему цилиндру. 4.Газ достигает своего минимального объема и нагнетается в горячий цилиндр, где начинает толкать горячий поршень вниз. Газ снова нагревается в горячем цилиндре, где его давление увеличивается, и он расширяется, толкая горячий поршень вниз во время рабочего хода, и цикл начинается снова. Регенератор Регенератор, расположенный в воздушном канале между двумя поршнями, не является обязательным, но служит для повышения эффективности двигателя.Обычно это металлическая или керамическая матрица с большой площадью поверхности, способной поглощать или отдавать тепло. Когда газ циркулирует от горячего цилиндра к холодному, часть его тепла передается регенератору, что помогает охлаждать газ. Когда холодный газ возвращается в горячий цилиндр, на обратном пути он забирает тепло от регенератора. Это уменьшает как количество тепла, которое должно подводиться к газу источником тепла, так и количество отработанного тепла, которое должно быть отведено из газа системой охлаждения.Таким образом, снижается расход топлива и повышается общий КПД рабочего цикла. Канал передачи газа между двумя цилиндрами представляет собой мертвое пространство, и в большинстве конструкций оно минимально возможно. Рабочей жидкостью может быть просто воздух, но для увеличения удельной мощности можно использовать другие газы, такие как водород, гелий и азот. Двигатель Стирлинга (бета-конфигурация) Термодинамика бета-двигателя Стирлинга аналогична термодинамике альфа-двигателя, но физическая конфигурация сильно отличается. Бета-двигатель имеет только один цилиндр, который с одной стороны нагревается, а с другой — охлаждается. Одиночный силовой поршень расположен соосно с поршнем буйка, и оба поршня перемещаются внутри этого цилиндра. Поршень вытеснителя не извлекает энергию из расширяющегося газа, а только служит для перемещения рабочего газа вперед и назад между горячим и холодным концом. Как и в альфа-двигателе, циклические движения поршней разнесены на 90 градусов, причем движение поршня вытеснителя опережает силовой поршень на четверть оборота коленчатого вала. Механизм соединения движений двух поршней довольно сложен. Шатун буйка состоит из двух частей. Верхняя тяга жестко прикреплена к вытеснителю и проходит через центр силового поршня и должна обеспечивать герметичное уплотнение с поршнем, чтобы рабочий газ не выходил. Вторая часть тяги буйка — это обычный шатун, соединяющий верхнюю тягу с коленчатым валом. Поскольку механизм буйка занимает пространство, которое обычно занимает шатун силового поршня, рычажный механизм для силового поршня также должен быть разделен на две части, по одной с каждой стороны рычажного механизма буйка, чтобы поддерживать сбалансированные силы на силовом поршне. По мере того, как газ нагревается в горячем конце цилиндра, он расширяется и выталкивается через регенератор в холодный конец цилиндра. По мере движения буйка вверх газ перемещается в его холодный конец и толкает поршень вниз Когда поплавок достигает верхней точки своего хода, весь газ перемещается в холодный конец, где охлаждается и сжимается.В то же время поршень следует за буйком вверх. Когда поплавок начинает двигаться вниз, поршень продолжает двигаться вверх, и холодный газ переносится к горячему концу цилиндра, и цикл начинается снова. Двигатель может также включать регенератор для повышения эффективности. Для ясности он показан отдельно от цилиндра. На практике он с большей вероятностью будет встроен в стенку цилиндра.В некоторых конструкциях сам поршень буйка действует как регенератор. Двигатель Стирлинга (гамма-конфигурация) Гамма-конфигурация Стирлинга — это просто бета-двигатель Стирлинга, в котором силовой поршень установлен не соосно с поршнем буйка, а в отдельном цилиндре.Это позволяет избежать сложностей, связанных с прохождением рычажного механизма поршня буйка через силовой поршень. Фиксированное количество рабочей жидкости (газа) поддерживается в цилиндрах поршнями, которые образуют газонепроницаемое уплотнение со стенками цилиндра. Вытеснитель свободно входит в горячий цилиндр, позволяя газу проходить по сторонам при движении вверх и вниз.Как и в других двигателях Стирлинга, газ поочередно нагревается и охлаждается, заставляя его расширяться и сжиматься, когда он перемещается между горячим и холодным цилиндрами, передавая свою энергию силовому поршню в холодном цилиндре. Двигатель Стирлинга двойного действия (с наклонной шайбой) В этой конфигурации меньше механических частей, чем в других конструкциях, и она больше подходит для приложений с более высокой мощностью. Рабочий газ перемещается назад и вперед через регенераторы между соседними цилиндрами, которые нагреваются вверху и охлаждаются внизу.Эта конструкция не требует вытеснителей, поскольку эту функцию выполняют поршни в соседних цилиндрах. Цилиндры должны быть закрыты с обоих концов, а шатуны должны проходить через уплотнения в нижних крышках цилиндров, чтобы газ в цилиндрах не выходил. Его преимущество состоит в том, что сила, создаваемая расширяющимся газом на одной стороне цилиндра, увеличивается на силу, создаваемую сжимающим газом на другой стороне, или, другими словами, эффективный перепад давления на поршнях увеличивается. В случае четырехцилиндрового механизма движение поршней сдвинуто по фазе на 90 градусов с каждым из его соседних элементов. Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное с помощью привода наклонной шайбы. Цилиндры расположены в неподвижном кольце вокруг вращающегося вала, который включает наклонную наклонную шайбу, которая также действует как маховик.Когда пластина вращается, кажется, что ее поверхность поднимается и опускается, когда она проходит под цилиндрами, и это гармоничное движение передается через шатуны с возвратно-поступательными поршнями. Приложения Двигатели Стирлинга использовались в различных формах с 1930-х годов в качестве движущей силы в ряде транспортных средств, и были разработаны двигатели мощностью 75 кВт и более.Хотя ранние разработки двигателей предназначались для использования в автомобилях, из-за своей низкой удельной мощности двигатель Стирлинга лучше подходит для стационарных применений, и в последние годы он стал больше использоваться для выработки электроэнергии. Теплоэлектроцентраль Двигатель Стирлинга идеален для использования в небольших теплоэлектроцентралях для улавливания отработанного тепла. Генераторы с двигателем Стирлинга с выходной мощностью от 1 кВт до 10 кВт доступны для бытовых применений, в которых отработанное тепло используется котлом центрального отопления.Общий тепловой КПД этих установок может достигать 80%. Дополнительную информацию см. На страницах Hybrid Power. Солнечная энергия В США блоки двигателей Стирлинга мощностью 25 кВт используются для выработки электроэнергии из тепловой энергии, улавливаемой большими солнечными тепловыми батареями. См. Также небольшие солнечные тепловые установки для получения подробной информации. См. Также Генераторы Вернуться к Обзор электроснабжения

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга альфа-типа.Есть два цилиндра. В цилиндре расширения (красный) поддерживается высокая температура, в то время как цилиндр сжатия (синий) охлаждается. В проходе между двумя цилиндрами находится регенератор. Двигатель Стирлинга бета-типа. Есть только один цилиндр, горячий с одного конца и холодный с другого. Из-за неплотно установленного буйка воздух направляется между горячим и холодным концом цилиндра. Силовой поршень на конце цилиндра приводит в движение маховик.

A Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, работающий за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа, рабочей жидкости , при различных уровнях температуры, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. ^{[1] [2]}

Как и паровой двигатель, двигатель Стирлинга традиционно классифицируется как двигатель внешнего сгорания, поскольку вся теплопередача к рабочему телу и от него происходит через стенку двигателя. Это контрастирует с двигателем внутреннего сгорания, где подвод тепла происходит за счет сгорания топлива в теле рабочего тела. В отличие от парового двигателя (или, в более общем смысле, двигателя цикла Ренкина) использования рабочего тела как в жидкой, так и в газовой фазах, двигатель Стирлинга включает фиксированное количество постоянно газообразной жидкости, такой как воздух.

Типичный для тепловых двигателей, общий цикл состоит из сжатия холодного газа, нагрева газа, расширения горячего газа и, наконец, охлаждения газа перед повторением цикла. Эффективность процесса сильно ограничена эффективностью цикла Карно, которая зависит от разницы температур между горячим и холодным резервуарами.

Первоначально задуманный в 1816 году как промышленный двигатель, способный конкурировать с паровым двигателем, его практическое использование в основном ограничивалось маломощными бытовыми приложениями на протяжении более века. ^[3]

Двигатель Стирлинга отличается высоким КПД по сравнению с паровыми двигателями, ^[4] тихой работой и легкостью, с которой он может использовать практически любой источник тепла. Эта совместимость с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии становится все более важной по мере роста цен на обычное топливо, а также в свете таких проблем, как пик нефти и изменение климата. Этот двигатель в настоящее время вызывает интерес как основной компонент микрогенераторов тепла и электроэнергии (ТЭЦ), в которых он более эффективен и безопасен, чем сопоставимый паровой двигатель. ^{[5] [6]}

Название и определение

Роберт Стирлинг был шотландским изобретателем первого практического примера воздушного двигателя с замкнутым циклом в 1816 году, и еще в 1884 году Флиминг Дженкин предложил, чтобы все такие двигатели в общем назывались двигателями Стирлинга. Это предложение по названию не нашло особой поддержки, и различные типы, представленные на рынке, продолжали быть известны по именам их отдельных дизайнеров или производителей, например Двигатель Райдера, Робинсона или (горячего воздуха) Хейнрици.В 1940-х годах компания Philips искала подходящее название для своей собственной версии «воздушного двигателя», который к тому времени испытывался с рабочими жидкостями, отличными от воздуха, и в апреле 1945 года выбрала «двигатель Стирлинга». ^{[ 7]} Однако почти тридцать лет спустя Грэм Уокер все еще сетовал на тот факт, что такие термины, как «двигатель горячего воздуха», продолжали использоваться как синонимы «двигатель Стирлинга», которые сами по себе применялись широко и без разбора. ^[8] Сейчас ситуация несколько улучшилась, по крайней мере, в академической литературе, и теперь общепринято считать, что «двигатель Стирлинга» должен относиться исключительно к регенеративному тепловому двигателю замкнутого цикла с постоянно газообразной рабочей жидкостью, где замкнутый цикл определяется как термодинамическая система, в которой рабочая жидкость постоянно содержится в системе, а регенеративный описывает использование внутреннего теплообменника и накопителя тепла определенного типа, известного как регенератор .

Из работы по замкнутому циклу следует, что двигатель Стирлинга представляет собой двигатель внешнего сгорания, который изолирует свою рабочую жидкость от энергии, поступающей от внешнего источника тепла. Существует много возможных вариантов реализации двигателя Стирлинга, большинство из которых относятся к категории поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением.

Описание функций

Двигатель спроектирован так, что рабочий газ обычно сжимается в более холодной части двигателя и расширяется в более горячей части, что приводит к чистому преобразованию тепла в работу. ^[2] Внутренний регенеративный теплообменник увеличивает тепловой КПД двигателя Стирлинга по сравнению с более простыми двигателями с горячим воздухом, в которых эта функция отсутствует.

Ключевые компоненты

Схема в разрезе бета-конфигурации ромбического привода Конструкция двигателя Стирлинга: Pink — Стенка горячего цилиндра Темно-серый — Стенка холодного цилиндра (с желтыми трубами входа и выхода охлаждающей жидкости) Темно-зеленый — теплоизоляция, разделяющая два конца цилиндра Светло-зеленый — Поршень буйка Темно-синий — Силовой поршень Голубой — Тяга кривошипа и маховика Не показано: источник тепла и радиаторы.В этой конструкции поршень буйка выполнен без специального регенератора.

Вследствие работы по замкнутому циклу тепло, приводящее в действие двигатель Стирлинга, должно передаваться от источника тепла к рабочей жидкости через теплообменники и, наконец, к радиатору. Система двигателя Стирлинга имеет по крайней мере один источник тепла, один радиатор и до пяти теплообменников. Некоторые типы могут сочетать или обходиться без некоторых из них.

Источник тепла

Параболическое зеркало с точечной фокусировкой с двигателем Стирлинга в центре и устройством слежения за солнечными лучами в Plataforma Solar de Almería (PSA) в Испании

Источником тепла может служить сгорание топлива, и, поскольку продукты сгорания не смешиваются с рабочей жидкостью и, следовательно, не вступают в контакт с внутренними частями двигателя, двигатель Стирлинга может работать на топливе, которое могло бы повредить внутренние детали двигателей других типов, например, свалочный газ, содержащий силоксан.

Другими подходящими источниками тепла являются концентрированная солнечная энергия, геотермальная энергия, ядерная энергия, отходящее тепло или даже биологические. Если источником тепла является солнечная энергия, можно использовать обычные солнечные зеркала и солнечные тарелки. Также рекомендуется использовать линзы Френеля и зеркала (например, для исследования поверхности планет). ^[9] Двигатели Стирлинга, работающие на солнечной энергии, становятся все более популярными, поскольку они являются очень экологически безопасным вариантом для выработки энергии. Также некоторые конструкции экономически привлекательны в девелоперских проектах. ^[10]

Нагреватель / теплообменник горячей стороны

В небольших двигателях малой мощности он может просто состоять из стенок горячего пространства (а), но там, где требуется большая мощность, требуется большая площадь поверхности для передачи достаточного количества тепла. Типичное исполнение — внутренние и внешние ребра или несколько труб малого диаметра

Проектирование теплообменников двигателя Стирлинга — это баланс между высокой теплопередачей с низкими вязкостными насосными потерями и малым мертвым пространством (внутренним объемом без очистки).В двигателях, работающих при высокой мощности и давлении, теплообменники на горячей стороне должны быть изготовлены из сплавов, сохраняющих значительную прочность при температуре, которые также не будут подвергаться коррозии или ползучести.

Регенератор

Основная статья: Регенеративный теплообменник

В двигателе Стирлинга регенератор представляет собой внутренний теплообменник и временный накопитель тепла, расположенный между горячим и холодным пространством, так что рабочая жидкость проходит через него сначала в одном направлении, а затем в другом. Его функция состоит в том, чтобы удерживать в системе то тепло, которое в противном случае передавалось бы с окружающей средой при температурах, промежуточных между максимальной и минимальной температурами цикла, ^[11] , таким образом позволяя тепловому КПД цикла приближаться к предельному КПД Карно, определяемому формулой те максимумы и минимумы.

Первичный эффект регенерации в двигателе Стирлинга заключается в повышении теплового КПД за счет «рециркуляции» внутреннего тепла, которое в противном случае необратимо прошло бы через двигатель. В качестве вторичного эффекта повышенный термический КПД приводит к более высокой выходной мощности от данного набора теплообменников горячего и холодного конца. Именно они обычно ограничивают тепловую мощность двигателя. На практике эта дополнительная мощность не может быть полностью реализована, поскольку дополнительное «мертвое пространство» (непромокаемый объем) и насосные потери, присущие практическим регенераторам, уменьшают потенциальный выигрыш в эффективности от регенерации.

Задача конструкции регенератора двигателя Стирлинга состоит в том, чтобы обеспечить достаточную теплопередающую способность без введения слишком большого дополнительного внутреннего объема («мертвого пространства») или сопротивления потоку. Эти внутренние конфликты конструкции являются одним из многих факторов, ограничивающих эффективность практических двигателей Стирлинга. Типичная конструкция представляет собой набор тонких металлических проволочных сеток с низкой пористостью для уменьшения мертвого пространства и с осями проволоки, перпендикулярными потоку газа, чтобы уменьшить проводимость в этом направлении и максимизировать конвективную теплопередачу. ^[12]

Регенератор — это ключевой компонент, изобретенный Робертом Стирлингом, и его присутствие отличает настоящий двигатель Стирлинга от любого другого двигателя с горячим воздухом замкнутого цикла. Многие небольшие «игрушечные» двигатели Стирлинга, особенно типы с низкотемпературным перепадом (LTD), не имеют отдельного компонента регенератора и могут считаться двигателями горячего воздуха, однако небольшая регенерация обеспечивается за счет поверхности самого вытеснителя и близлежащих элементов. стенка цилиндра или аналогично канал, соединяющий горячий и холодный цилиндры двигателя альфа-конфигурации.

Теплообменник охладителя / холодной стороны

В небольших двигателях малой мощности он может просто состоять из стенок холодного помещения (а), но там, где требуется большая мощность, необходим охладитель, использующий жидкость, например воду, для передачи достаточного количества тепла.

Радиатор

Радиатор обычно находится в окружающей среде с температурой окружающей среды. В случае двигателей средней и высокой мощности требуется радиатор для передачи тепла от двигателя в окружающий воздух.Судовые двигатели могут использовать окружающую воду. В случае комбинированных теплоэнергетических систем охлаждающая вода двигателя прямо или косвенно используется для отопления.

В качестве альтернативы, тепло может подаваться при температуре окружающей среды, а теплоотвод поддерживаться при более низкой температуре с помощью таких средств, как криогенная жидкость (см. Экономия жидкого азота) или ледяная вода.

Буек

Вытеснитель представляет собой поршень специального назначения, используемый в двигателях Стирлинга типа Beta и Gamma для перемещения рабочего газа вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками.В зависимости от типа конструкции двигателя вытеснитель может быть или не быть прилегающим к цилиндру, т. Е. Он не плотно прилегает к цилиндру и позволяет рабочему газу проходить вокруг него, когда он перемещается, занимая часть цилиндра за его пределами.

Конфигурации

Существует два основных типа двигателей Стирлинга, которые различаются по способу перемещения воздуха между горячей и холодной сторонами цилиндра:

1. Двухпоршневая конструкция типа alpha имеет поршни в независимых цилиндрах, и газ перемещается между горячим и холодным пространством.
2. В поршневых двигателях Стирлинга, известных как типы beta и gamma , используется изолированный механический вытеснитель для проталкивания рабочего газа между горячей и холодной сторонами цилиндра. Вытеснитель достаточно большой, чтобы термически изолировать горячую и холодную стороны цилиндра и вытеснять большое количество газа. Между буйком и стенкой цилиндра должен быть достаточный зазор, чтобы газ мог легко проходить вокруг буйка.

Alpha Stirling

Модель alpha Stirling содержит два силовых поршня в отдельных цилиндрах, один горячий и один холодный.Горячий цилиндр расположен внутри высокотемпературного теплообменника, а холодный цилиндр расположен внутри низкотемпературного теплообменника. Этот тип двигателя имеет высокое отношение мощности к объему, но имеет технические проблемы из-за обычно высокой температуры горячего поршня и долговечности его уплотнений. ^[13] На практике этот поршень обычно имеет большую изолирующую головку, которая отводит уплотнения от горячей зоны за счет некоторого дополнительного мертвого пространства.

Действие двигателя Стирлинга альфа типа

На следующих схемах не показаны внутренние теплообменники в пространствах сжатия и расширения, которые необходимы для выработки энергии.Регенератор будет помещен в трубу, соединяющую два цилиндра. Коленчатый вал также не использовался.

Бета-Стирлинг

Модель beta Stirling имеет единственный силовой поршень, расположенный в том же цилиндре на том же валу, что и поршень буйка. Поршень вытеснителя имеет неплотную посадку и не отбирает энергию из расширяющегося газа, а только служит для перемещения рабочего газа из горячего теплообменника в холодный теплообменник. Когда рабочий газ проталкивается к горячему концу цилиндра, он расширяется и толкает силовой поршень.Когда его толкают к холодному концу цилиндра, он сжимается, и импульс машины, обычно усиливаемый маховиком, толкает силовой поршень в другую сторону, чтобы сжать газ. В отличие от альфа-типа, бета-тип позволяет избежать технических проблем, связанных с горячим перемещением уплотнений. ^[14]

Действие двигателя Стирлинга бета-типа

Опять же, на следующих схемах не показаны внутренние теплообменники или регенератор, которые могут быть размещены в газовом тракте вокруг вытеснителя.

Гамма Стирлинг

A gamma Stirling — это просто бета-версия Стирлинга, в которой силовой поршень установлен в отдельном цилиндре рядом с поршневым цилиндром буйка, но все еще соединен с тем же маховиком. Газ в двух цилиндрах может свободно течь между ними и оставаться единым корпусом. Эта конфигурация обеспечивает более низкую степень сжатия, но механически проще и часто используется в многоцилиндровых двигателях Стирлинга.

Другие типы

Другие конфигурации Стирлинга продолжают интересовать инженеров и изобретателей.

Гибрид поршневой и роторной конфигурации — это двигатель двойного действия. Эта конструкция вращает вытеснители по обе стороны от силового поршня

. Вид сверху на два вращающихся буйка, приводящих в действие горизонтальный поршень. Регенераторы и радиатор сняты для наглядности.

Существует также роторный двигатель Стирлинга , который стремится преобразовывать мощность цикла Стирлинга непосредственно в крутящий момент, аналогично роторному двигателю внутреннего сгорания. Практический двигатель еще не построен, но был разработан ряд концепций, моделей и патентов, например, квазитурбинный двигатель. ^[15]

Другой альтернативой является двигатель Fluidyne ( тепловой насос Fluidyne ), в котором для реализации цикла Стирлинга используются гидравлические поршни. Работа двигателя Fluidyne заключается в перекачивании жидкости. В простейшем виде двигатель содержит рабочий газ, жидкость и два обратных клапана.

Двигатель с кольцевой бомбой Концепция , опубликованная в 1907 году, не имеет поворотного механизма или рычажного механизма для вытеснителя. Вместо этого он приводится в движение небольшим вспомогательным поршнем, обычно толстым стержнем буйка, с ограничением движения ограничителями. ^[16]

Двухцилиндровый двигатель Стирлинга с вилкой Росс. — это двухцилиндровый двигатель Стирлинга (не под углом 90 °, а под углом 0 °), соединенный со специальной вилкой. Конфигурация двигателя / установка ярма была изобретена Энди Россом (инженер) ^{[необходимо разрешение ]} . ^[17]

Двигатель Franchot — это двигатель двойного действия, изобретенный «Franchot» в девятнадцатом веке. Двигатель двойного действия — это двигатель, в котором на обе стороны поршня действует давление рабочей жидкости.Одна из самых простых форм машины двойного действия, двигатель Franchot состоит из двух поршней и двух цилиндров и действует как две отдельные альфа-машины. В двигателе Franchot каждый поршень действует в двух газовых фазах, что позволяет более эффективно использовать механические компоненты, чем в альфа-машине одностороннего действия. Хотя недостатком этой машины является то, что один шатун должен иметь скользящее уплотнение на горячей стороне двигателя, что является сложной задачей при работе с высокими давлениями и высокими температурами ^{[ требуется ссылка ]} .

Двигатели Стирлинга со свободным поршнем

Различные конфигурации Стирлинга со свободным поршнем … F. «Свободный цилиндр», G. Fluidyne, H. «Двустороннее действие» Стирлинга (обычно 4 цилиндра)

Двигатели Stirling со свободным поршнем включают двигатели с жидкостными поршнями и двигатели с диафрагмами в качестве поршней. В устройстве со «свободным поршнем» энергия может добавляться или сниматься электрическим линейным генератором переменного тока, насосом или другим коаксиальным устройством. Это устраняет необходимость в соединении и уменьшает количество движущихся частей.В некоторых конструкциях трение и износ практически исключаются за счет использования бесконтактных газовых подшипников или очень точной подвески с помощью плоских пружин.

Четыре основных этапа цикла двигателя «Свободный поршень» Стирлинга,

1. Силовой поршень выталкивается наружу расширяющимся газом, выполняя свою работу. Гравитация не играет роли в круговороте.
2. Объем газа в двигателе увеличивается и, следовательно, давление снижается, что вызывает перепад давления на стержне буйка, заставляя его двигаться к горячему концу.Когда вытеснитель перемещается, поршень почти неподвижен, и поэтому объем газа почти постоянен. Этот шаг приводит к процессу охлаждения постоянного объема, который снижает давление газа.
3. Пониженное давление теперь останавливает движение поршня наружу, и он снова начинает ускоряться к горячему концу и за счет своей собственной инерции сжимает теперь холодный газ, который в основном находится в холодном пространстве.
4. По мере увеличения давления достигается точка, в которой перепад давления на стержне буйка становится достаточно большим, чтобы начать толкать шток буйка (а, следовательно, и буйковый уровнемер) к поршню и тем самым сжимать холодное пространство и передавать холодное сжатое газ к горячей стороне в процессе почти постоянного объема.Когда газ попадает на горячую сторону, давление увеличивается и начинает перемещать поршень наружу, чтобы инициировать стадию расширения, как описано в (1).

В начале 1960-х У.Т. Бил изобрел свободнопоршневую версию двигателя Стирлинга, чтобы преодолеть трудности со смазкой кривошипно-шатунного механизма. ^[18] В то время как изобретение базового двигателя Стирлинга со свободным поршнем обычно приписывается Билу, независимые изобретения аналогичных типов двигателей были сделаны Э.Х. Кук-Ярборо и К. Вест в лабораториях Харвелла UKAERE. ^[19] G.M. Бенсон также внес важный вклад и запатентовал множество новых конфигураций свободного поршня. ^[20]

То, что кажется первым упоминанием о машине цикла Стирлинга, использующей свободно движущиеся компоненты, является раскрытием британского патента в 1876 году. ^[21] Эта машина была задумана как холодильник (то есть , обращенный цикл Стирлинга ). Первым потребительским продуктом, в котором использовалось устройство Стирлинга со свободным поршнем, был портативный холодильник, произведенный японской корпорацией Twinbird и предложенный в США компанией Coleman в 2004 году.

Термоакустический цикл

Термоакустические устройства сильно отличаются от устройств Стирлинга, хотя индивидуальный путь, пройденный каждой молекулой рабочего газа, действительно соответствует реальному циклу Стирлинга. Эти устройства включают термоакустический двигатель и термоакустический холодильник. Акустические стоячие волны большой амплитуды вызывают сжатие и расширение, аналогично силовому поршню Стирлинга, в то время как сдвинутые по фазе акустические бегущие волны вызывают смещение по градиенту температуры, аналогично поршню буйка Стирлинга.Таким образом, термоакустическое устройство обычно не имеет вытеснителя, как у бета- или гамма-излучения Стирлинга.

История

Иллюстрация к заявке Роберта Стирлинга 1816 года на конструкцию воздушного двигателя, который позже стал известен как двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга (или воздушный двигатель Стирлинга, как он был известен в то время) был изобретен и запатентован Робертом Стирлингом в 1816 году. ^[22] Он последовал за более ранними попытками создания воздушного двигателя, но, вероятно, был первым из тех, кто был применен. Практическое использование, когда в 1818 году двигатель, построенный Стирлингом, использовался для откачки воды в карьере. ^[23] Основным предметом первоначального патента Стирлинга был теплообменник, который он назвал «экономайзером» за повышение экономии топлива в различных областях применения. В патенте также подробно описано использование одного из видов экономайзера в его уникальной конструкции ^[24] воздушного двигателя замкнутого цикла, в которой он теперь широко известен как «регенератор». Последующая разработка Робертом Стирлингом и его братом Джеймсом, инженером, привела к получению патентов на различные улучшенные конфигурации исходного двигателя, включая наддув, который к 1843 году позволил значительно увеличить выходную мощность, чтобы приводить в действие все механизмы на чугунолитейном заводе в Данди. ^[25]

Хотя это оспаривается ^[26] , широко распространено мнение, что изобретатели не только экономили топливо, но и были заинтересованы в создании более безопасной альтернативы паровым двигателям того времени, ^[27] , котлы которых часто взрывались, вызывая множество травм и несчастные случаи. ^{[28] [29]} Необходимость работы двигателей Стирлинга при очень высоких температурах для максимизации мощности и эффективности выявила ограничения в используемых в то время материалах, и несколько двигателей, построенных в те первые годы, терпели неприемлемо частые отказы ( хотя и с гораздо менее катастрофическими последствиями, чем взрыв котла ^[30] ) — например, литейный двигатель Данди был заменен паровым после трех отказов горячего цилиндра за четыре года. ^[31]

Позднее девятнадцатого века

После выхода из строя литейного двигателя в Данди нет никаких свидетельств того, что братья Стирлинг в дальнейшем участвовали в разработке воздушного двигателя, а двигатель Стирлинга больше никогда не конкурировал с паром в качестве источника энергии в промышленных масштабах (паровые котлы становились более безопасными ^{[32 ]} и паровые двигатели более эффективны, поэтому представляют меньшую цель для конкурирующих первичных двигателей). Однако примерно с 1860 года меньшие двигатели типа Стирлинга / горячего воздуха производились в значительном количестве и находили применение везде, где требовался надежный источник малой и средней мощности, например, для подъема воды или подачи воздуха в церковные органы. ^[33] Они обычно работали при более низких температурах, чтобы не облагать налогом доступные материалы, поэтому были относительно неэффективными. Но их выгодным аргументом было то, что, в отличие от парового двигателя, ими мог безопасно управлять любой, кто способен справиться с пожаром. ^[34] Несколько типов оставались в производстве после конца века, но, за исключением нескольких незначительных механических усовершенствований, конструкция двигателя Стирлинга в целом в этот период не развивалась. ^[35]

Возрождение двадцатого века

В начале двадцатого века роль двигателя Стирлинга как «домашнего двигателя» ^[36] постепенно была передана электродвигателю и малым двигателям внутреннего сгорания.К концу 1930-х годов о нем почти забыли, производили только игрушки и несколько маленьких вентиляторов. ^[37]

В то время Philips стремилась расширить продажи своих радиоприемников в тех частях мира, где не было электричества и не хватало батарей. Руководство Philips решило, что предложение портативного генератора малой мощности будет способствовать таким продажам, и поручило группе инженеров в исследовательской лаборатории компании в Эйндховене оценить альтернативные способы достижения этой цели.После систематического сравнения различных первичных двигателей команда решила продолжить работу с двигателем Стирлинга, сославшись на его тихую работу (как на слух, так и с точки зрения радиопомех) и способность работать от различных источников тепла (обычное масло для ламп — » дешево и доступно везде », — отметили). ^[38] Они также знали, что, в отличие от паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания, в течение многих лет практически не проводились серьезные опытно-конструкторские работы по двигателю Стирлинга, и они утверждали, что современные материалы и ноу-хау должны способствовать значительным улучшениям. ^[39]

Генератор Стирлинга Philips MP1002CA 1951 г.

Вдохновленные их первым экспериментальным двигателем, который выдавал мощность на валу 16 Вт при диаметре канала ствола и хода 30 мм × 25 мм, было произведено ^[40] различных опытно-конструкторских моделей в рамках программы, которая продолжалась на протяжении всей Второй мировой войны. К концу 1940-х годов Type 10 был готов к передаче дочерней компании Philips Йохану де Витту в Дордрехте для производства и включения в генераторную установку, как планировалось изначально.Результат, рассчитанный на электрическую мощность 180/200 Вт от отверстия и хода 55 мм x 27 мм, получил обозначение MP1002CA (известный как «набор бунгало»). Производство первой партии в 250 штук началось в 1951 году, но стало ясно, что они не могут быть произведены по конкурентоспособной цене, кроме того, появление транзисторных радиоприемников с их гораздо более низкими требованиями к мощности означало, что первоначальное обоснование для набора исчезло. В итоге было произведено около 150 таких наборов. ^[41] Некоторые из них попали на инженерные факультеты университетов и колледжей по всему миру ^[42] давая поколениям студентов ценное представление о двигателе Стирлинга.

Philips продолжала разрабатывать экспериментальные двигатели Стирлинга для широкого спектра применений и продолжала работать в этой области до конца 1970-х годов, но достигла коммерческого успеха только с криокулером «реверсивный двигатель Стирлинга». Однако они получили большое количество патентов и накопили огромное количество информации, которую они лицензировали для других компаний и которая легла в основу большей части разработок в современную эпоху. ^[43]

Начиная с 1986 года, Infinia Corporation приступила к разработке как высоконадежных импульсных двигателей Стирлинга со свободным поршнем, так и термоакустических охладителей с использованием соответствующей технологии.В опубликованной конструкции используются изгибные подшипники и герметичные газовые циклы с гелием для достижения проверенной надежности, превышающей 20 лет. По состоянию на 2010 год корпорация получила более 30 патентов и разработала ряд коммерческих продуктов как для комбинированного производства тепла и электроэнергии, так и для солнечной энергетики. ^[44]

Теория

Основная статья: цикл Стирлинга

Идеализированный цикл Стирлинга состоит из четырех термодинамических процессов, действующих на рабочую жидкость:

1. Изотермическое расширение.В пространстве расширения и связанном с ним теплообменнике поддерживается постоянная высокая температура, а газ подвергается почти изотермическому расширению, поглощая тепло от горячего источника.
2. Отвод тепла постоянного объема (известный как изоволюметрический или изохорный). Газ проходит через регенератор, где он охлаждается, передавая тепло регенератору для использования в следующем цикле.
3. Изотермическое сжатие. В камере сжатия и связанном с ней теплообменнике поддерживается постоянная низкая температура, поэтому газ подвергается почти изотермическому сжатию, отводя тепло в охлаждающий сток
4. Добавка тепла с постоянным объемом (известная как изоволюметрическая или изохорная).Газ проходит обратно через регенератор, где он восстанавливает большую часть тепла, переданного в 2, нагреваясь на пути к пространству расширения.

Теоретический тепловой КПД равен гипотетическому циклу Карно, т. Е. Наивысшему КПД, достижимому любой тепловой машиной. Однако, хотя он полезен для иллюстрации общих принципов, цикл учебника далек от представления того, что на самом деле происходит внутри практического двигателя Стирлинга, и его следует рассматривать только как отправную точку для анализа.Фактически утверждалось, что его неизбирательное использование во многих стандартных книгах по инженерной термодинамике оказало медвежью услугу изучению двигателей Стирлинга в целом. ^{[45] [46]}

Другие реальные проблемы снижают эффективность реальных двигателей из-за ограничений конвективной теплопередачи и вязкого течения (трения). Существуют также практические механические соображения, например, простая кинематическая связь может быть предпочтительнее более сложного механизма, необходимого для воспроизведения идеализированного цикла, и ограничения, накладываемые доступными материалами, такими как неидеальные свойства рабочего газа, теплопроводность, предел прочности при растяжении. , ползучесть, предел прочности и температура плавления.Часто возникает вопрос, действительно ли идеальный цикл с изотермическим расширением и сжатием является правильным идеальным циклом для двигателя Стирлинга. Профессор К. Дж. Раллис указал, что очень трудно представить себе любое состояние, при котором пространства расширения и сжатия могут приближаться к изотермическому поведению, и гораздо более реалистично представить эти пространства как адиабатические. ^[47] Идеальный анализ, в котором пространства расширения и сжатия считаются адиабатическими с изотермическими теплообменниками и идеальной регенерацией, был проанализирован Раллисом и представлен как лучший идеальный критерий для машин Стирлинга.Он назвал этот цикл «псевдо-циклом Стирлинга» или «идеальным адиабатическим циклом Стирлинга». Важным следствием этого идеального цикла является то, что он не предсказывает КПД Карно. Еще один вывод из этого идеального цикла заключается в том, что максимальная эффективность достигается при более низких степенях сжатия, что характерно для реальных машин. В независимой работе Т. Финкельштейн также предположил адиабатические пространства расширения и сжатия в своем анализе машин Стирлинга ^[48]

Эксплуатация

Поскольку двигатель Стирлинга представляет собой замкнутый цикл, он содержит фиксированную массу газа, называемого «рабочим телом», чаще всего воздух, водород или гелий.При нормальной работе двигатель герметичен, и газ не входит в двигатель и не выходит из него. В отличие от поршневых двигателей других типов, клапаны не требуются. Двигатель Стирлинга, как и большинство тепловых двигателей, проходит четыре основных процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Это достигается перемещением газа вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками, часто с регенератором между нагревателем и охладителем. Горячий теплообменник находится в тепловом контакте с внешним источником тепла, таким как топливная горелка, а холодный теплообменник находится в тепловом контакте с внешним теплоотводом, таким как воздушные ребра.Изменение температуры газа вызовет соответствующее изменение давления газа, в то время как движение поршня заставляет газ попеременно расширяться и сжиматься.

Газ следует поведению, описываемому законами газа, которые описывают, как связаны давление, температура и объем газа. Когда газ нагревается, поскольку он находится в герметичной камере, давление повышается, и это затем действует на силовой поршень, создавая рабочий ход. Когда газ охлаждается, давление падает, и это означает, что поршню требуется меньше работы для сжатия газа на обратном ходу, что дает полезную выходную мощность.

Когда одна сторона поршня открыта в атмосферу, работа немного отличается. Когда запечатанный объем рабочего газа входит в контакт с горячей стороной, он расширяется, выполняя работу как с поршнем, так и с атмосферой. Когда рабочий газ контактирует с холодной стороной, его давление падает ниже атмосферного, и атмосфера давит на поршень и воздействует на газ.

Подводя итог, можно сказать, что двигатель Стирлинга использует разницу температур между его горячим и холодным концом, чтобы установить цикл с фиксированной массой газа, нагретого и расширенного, охлажденного и сжатого, таким образом преобразуя тепловую энергию в механическую.Чем больше разница температур между горячим и холодным источниками, тем выше термический КПД. Максимальный теоретический КПД эквивалентен циклу Карно, однако КПД реальных двигателей меньше этого значения из-за трения и других потерь.

Видео, показывающее компрессор и вытеснитель очень маленького двигателя Стирлинга в действии

Созданы двигатели очень малой мощности, которые будут работать при разнице температур всего 0,5 К. ^[49]

В двигателе Стирлинга буйкового типа у вас есть один поршень и один буйк.Для работы двигателя требуется разница температур между верхом и низом большого цилиндра. В случае низкотемпературного двигателя (LTD) Стирлинга разницы температур между вашей рукой и окружающим воздухом может быть достаточно для запуска двигателя. Силовой поршень в двигателе Стирлинга буйкового типа плотно закрыт и может перемещаться вверх и вниз по мере расширения газа внутри. С другой стороны, вытеснитель установлен очень свободно, так что воздух может свободно перемещаться между горячей и холодной секциями двигателя при движении поршня вверх и вниз.Диспенсер перемещается вверх и вниз, чтобы контролировать нагрев и охлаждение газа в двигателе.
Есть две позиции,

1) Когда буйковый уровнемер находится в верхней части большого цилиндра.
• Внутри двигателя большая часть газа нагревается источником тепла, и он расширяется. Это вызывает повышение давления, которое заставляет поршень подниматься.

2) Когда буйковый уровнемер находится около дна большого цилиндра.
• Большая часть газа в двигателе теперь остыла и сжимается, вызывая снижение давления, что, в свою очередь, позволяет поршню опускаться и сжимать газ.

Давление

В большинстве двигателей Стирлинга большой мощности как минимальное, так и среднее давление рабочего тела выше атмосферного. Это начальное повышение давления в двигателе может быть реализовано с помощью насоса, или путем заполнения двигателя из резервуара для сжатого газа, или даже просто путем герметизации двигателя, когда средняя температура ниже, чем средняя рабочая температура. Все эти методы увеличивают массу рабочего тела в термодинамическом цикле. Все теплообменники должны иметь соответствующий размер, чтобы обеспечивать необходимую скорость теплопередачи.Если теплообменники хорошо спроектированы и могут обеспечивать тепловой поток, необходимый для конвективной теплопередачи, то двигатель в первом приближении будет вырабатывать мощность, пропорциональную среднему давлению, как предсказывается числом Веста и числом Била. На практике максимальное давление также ограничивается безопасным давлением резервуара высокого давления. Как и большинство аспектов конструкции двигателя Стирлинга, оптимизация является многовариантной и часто требует противоречивых требований. ^[50] Сложность повышения давления заключается в том, что, хотя это увеличивает мощность, требуемое тепло увеличивается пропорционально увеличенной мощности.Эта теплопередача становится все более трудной при повышении давления, поскольку повышенное давление также требует увеличения толщины стенок двигателя, что, в свою очередь, увеличивает сопротивление теплопередаче.

Смазки и трение

Современный двигатель Стирлинга и генераторная установка мощностью 55 кВт для комбинированного производства тепла и электроэнергии.

При высоких температурах и давлениях кислород в картерах сжатого воздуха или в рабочем газе двигателей с горячим воздухом может соединиться со смазочным маслом двигателя и взорваться.По крайней мере, один человек погиб в результате такого взрыва. ^[51]

Смазочные материалы также могут забивать теплообменники, особенно регенератор. По этим причинам конструкторы предпочитают несмазываемые материалы с низким коэффициентом трения (такие как рулон или графит) с низкими нормальными силами на движущиеся части, особенно для скользящих уплотнений. В некоторых конструкциях полностью отсутствуют поверхности скольжения за счет использования диафрагм для герметичных поршней. Это некоторые из факторов, которые позволяют двигателям Стирлинга иметь более низкие требования к техническому обслуживанию и более длительный срок службы, чем двигатели внутреннего сгорания.

Анализ

Сравнение с двигателями внутреннего сгорания

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, двигатели Стирлинга могут легче использовать возобновляемые источники тепла, работать тише и быть более надежными при меньших затратах на техническое обслуживание. Они предпочтительны для приложений, которые ценят эти уникальные преимущества, особенно если стоимость единицы произведенной энергии ($ / кВтч) более важна, чем капитальные затраты на единицу мощности ($ / кВт). Исходя из этого, двигатели Стирлинга конкурентоспособны по стоимости до 100 кВт. ^[52]

По сравнению с двигателем внутреннего сгорания той же номинальной мощности двигатели Стирлинга в настоящее время имеют более высокие капитальные затраты и, как правило, больше и тяжелее. Однако они более эффективны, чем большинство двигателей внутреннего сгорания. ^[53] Их более низкие требования к обслуживанию делают общую стоимость energy сопоставимой. Термический КПД также сопоставим (для небольших двигателей) и составляет от 15% до 30%. ^[52] Для таких приложений, как микро-ТЭЦ, двигатель Стирлинга часто предпочтительнее двигателя внутреннего сгорания.Другие применения включают перекачку воды, космонавтику и производство электроэнергии из многочисленных источников энергии, несовместимых с двигателем внутреннего сгорания, таких как солнечная энергия, и биомасса, такая как сельскохозяйственные отходы и другие отходы, такие как бытовые отходы. Стирлинги также использовались в качестве морского двигателя на шведских подводных лодках класса Gotland . ^[54] Однако двигатели Стирлинга, как правило, не конкурентоспособны по цене, как автомобильные двигатели, из-за высокой стоимости единицы мощности, низкой удельной мощности и высоких материальных затрат.

Базовый анализ основан на закрытом анализе Шмидта. ^{[55] [56]}

Преимущества

• Двигатели Стирлинга могут работать напрямую от любого доступного источника тепла, а не только от источника сгорания, поэтому они могут работать на тепле от солнечных, геотермальных, биологических, ядерных источников или от отработанного тепла промышленных процессов.
• Процесс непрерывного сгорания может использоваться для подачи тепла, поэтому выбросы, связанные с прерывистыми процессами сгорания поршневого двигателя внутреннего сгорания, могут быть уменьшены.
• Большинство типов двигателей Стирлинга имеют подшипник и уплотнения на холодной стороне двигателя, они требуют меньше смазки и служат дольше, чем другие типы поршневых двигателей.
• Механизмы двигателя в некоторых отношениях проще, чем у других типов поршневых двигателей. Никаких клапанов не требуется, и система горелки может быть относительно простой. Неочищенные двигатели Стирлинга могут быть изготовлены из обычных бытовых материалов. ^[57]
• В двигателе Стирлинга используется однофазная рабочая жидкость, которая поддерживает внутреннее давление, близкое к расчетному, и, таким образом, для правильно спроектированной системы риск взрыва низок.Для сравнения, паровой двигатель использует двухфазную рабочую жидкость газ / жидкость, поэтому неисправный выпускной клапан может вызвать взрыв.
• В некоторых случаях низкое рабочее давление позволяет использовать легкие баллоны.
• Они могут быть сконструированы для бесшумной работы и без подачи воздуха, для использования в подводных лодках независимо от воздуха.
• Они легко запускаются (хотя и медленно, после прогрева) и работают более эффективно в холодную погоду, в отличие от внутреннего сгорания, которое быстро запускается в теплую погоду, но не в холодную погоду.
• Двигатель Стирлинга, используемый для перекачивания воды, может быть сконфигурирован так, чтобы вода охлаждала пространство сжатия. Это наиболее эффективно при перекачивании холодной воды.
• Они очень гибкие. Они могут использоваться как ТЭЦ (комбинированное производство тепла и электроэнергии) зимой и как охладители летом.
• Отработанное тепло легко улавливается (по сравнению с отработанным теплом от двигателя внутреннего сгорания), что делает двигатели Стирлинга полезными для теплоэнергетических систем с двумя выходами.

Недостатки

Вопросы размера и стоимости

• Конструкции двигателей Стирлинга требуют теплообменников для ввода тепла и для вывода тепла, и они должны выдерживать давление рабочей жидкости, при котором давление пропорционально выходной мощности двигателя.Кроме того, теплообменник на стороне расширения часто имеет очень высокую температуру, поэтому материалы должны противостоять коррозионному воздействию источника тепла и иметь низкую ползучесть (деформацию). Обычно эти требования к материалам существенно увеличивают стоимость двигателя. Затраты на материалы и сборку высокотемпературного теплообменника обычно составляют 40% от общей стоимости двигателя. ^[51]
• Все термодинамические циклы требуют больших перепадов температур для эффективной работы.В двигателе внешнего сгорания температура нагревателя всегда равна температуре расширения или превышает ее. Это означает, что металлургические требования к материалу нагревателя очень высокие. Это похоже на газовую турбину, но в отличие от двигателя Отто или дизельного двигателя, где температура расширения может намного превышать металлургический предел материалов двигателя, потому что входящий источник тепла не проходит через двигатель, поэтому материалы двигателя работают ближе к средней температуре рабочего газа.
• Отвод отработанного тепла особенно сложен, потому что температура охлаждающей жидкости поддерживается на минимально возможном уровне, чтобы максимизировать тепловой КПД. Это увеличивает размер радиаторов, что может затруднить упаковку. Наряду со стоимостью материалов это было одним из факторов, ограничивающих принятие двигателей Стирлинга в качестве тягачей для автомобилей. Для других приложений, таких как судовые двигательные установки и стационарные системы микрогенерации, использующие комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ), высокая плотность мощности не требуется. ^[58]

Проблемы с мощностью и крутящим моментом

• Двигатели Стирлинга, особенно те, которые работают при небольших перепадах температур, довольно велики по той мощности, которую они производят (т. Е. Имеют низкую удельную мощность). Это в первую очередь связано с коэффициентом теплопередачи газовой конвекции, который ограничивает тепловой поток, который может быть достигнут в типичном холодном теплообменнике, примерно до 500 Вт / (м ² · K), а в горячем теплообменнике примерно до 500 –5000 Вт / (м ² · К). ^[50] По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, это усложняет для разработчиков двигателей передачу тепла в рабочий газ и из него. Из-за термического КПД требуемая теплопередача растет с меньшим перепадом температур, а площадь теплообменника (и стоимость) для выходной мощности 1 кВт увеличивается при второй мощности 1 / deltaT. Поэтому удельная стоимость двигателей с очень низким перепадом температур очень высока. Увеличение перепада температур и / или давления позволяет двигателям Стирлинга вырабатывать больше мощности, при условии, что теплообменники рассчитаны на повышенную тепловую нагрузку и могут обеспечивать необходимый конвектируемый тепловой поток.
• Двигатель Стирлинга не запускается мгновенно; его буквально нужно «разогреть». Это верно для всех двигателей внешнего сгорания, но время прогрева может быть больше для Стирлингса, чем для других двигателей этого типа, таких как паровые двигатели. Двигатели Стирлинга лучше всего использовать в качестве двигателей с постоянной частотой вращения.
• Выходная мощность Стирлинга обычно постоянна, и для ее регулировки иногда может потребоваться тщательная разработка и дополнительные механизмы. Как правило, изменения мощности достигаются путем изменения рабочего объема двигателя (часто за счет использования механизма перекоса коленчатого вала), или путем изменения количества рабочей жидкости, или путем изменения фазового угла поршня / буйка, или в некоторых случаях просто путем изменение нагрузки двигателя.Это свойство является меньшим недостатком в гибридной электрической силовой установке или генерации энергосистем с «базовой нагрузкой», где фактически желательна постоянная выходная мощность.

Вопросы выбора газа

Отработанный газ должен иметь низкую теплоемкость, чтобы данное количество передаваемого тепла приводило к значительному увеличению давления. Учитывая эту проблему, гелий был бы лучшим газом из-за его очень низкой теплоемкости. Воздух — это жизнеспособная рабочая жидкость, ^[59] , но кислород в воздушном двигателе с высоким давлением может вызвать несчастные случаи со смертельным исходом из-за взрыва смазочного масла. ^[51] После одной такой аварии Philips впервые применила другие газы, чтобы избежать такой опасности взрыва.

• Низкая вязкость и высокая теплопроводность водорода делают его самым мощным рабочим газом, прежде всего потому, что двигатель может работать быстрее, чем с другими газами. Однако из-за поглощения водорода и высокой скорости диффузии, связанной с этим газом с низким молекулярным весом, особенно при высоких температурах, H ₂ будет протекать через твердый металл нагревателя.Диффузия через углеродистую сталь слишком высока для практического применения, но может быть достаточно низкой для металлов, таких как алюминий или даже нержавеющая сталь. Определенная керамика также значительно снижает диффузию. Герметичные уплотнения сосуда высокого давления необходимы для поддержания давления внутри двигателя без восполнения потерь газа. Для двигателей с высокотемпературным перепадом (HTD) может потребоваться добавление вспомогательных систем для поддержания высокого давления рабочей жидкости. Эти системы могут быть баллоном для хранения газа или газогенератором. Водород может быть получен путем электролиза воды, воздействия пара на раскаленное углеродное топливо, путем газификации углеводородного топлива или путем реакции кислоты на металл.Водород также может вызывать охрупчивание металлов. Водород — легковоспламеняющийся газ, который представляет угрозу безопасности при выбросе из двигателя.
• В наиболее технически совершенных двигателях Стирлинга, таких как те, что были разработаны для правительственных лабораторий США, в качестве рабочего газа используется гелий, поскольку его эффективность и удельная мощность близки к водороду с меньшим количеством проблем с защитой материала. Гелий инертен, что устраняет любой риск воспламенения, как реального, так и предполагаемого. Гелий относительно дорог и должен поставляться в виде баллонного газа.Один тест показал, что водород на 5% (абсолютный) эффективнее гелия (24% относительно) в двигателе Стирлинга GPU-3. ^[60] Исследователь Аллан Орган продемонстрировал, что хорошо спроектированный воздушный двигатель теоретически имеет такой же КПД , как и гелиевый или водородный двигатель, но гелиевые и водородные двигатели в несколько раз мощнее на единицу объема .
• В некоторых двигателях в качестве рабочей жидкости используется воздух или азот. Эти газы имеют гораздо более низкую удельную мощность (что увеличивает стоимость двигателя), но они более удобны в использовании и сводят к минимуму проблемы с локализацией и подачей газа (что снижает затраты).Использование сжатого воздуха в контакте с горючими материалами или веществами, такими как смазочное масло, представляет опасность взрыва, поскольку сжатый воздух содержит высокое парциальное давление кислорода. Однако кислород можно удалить из воздуха посредством реакции окисления или можно использовать азот в баллонах, который почти инертен и очень безопасен.
• Другие возможные газы легче воздуха: метан и аммиак.

Приложения

Основная статья: Применение двигателя Стирлинга

Диапазон применения двигателя Стирлинга — от систем отопления и охлаждения до систем подводной энергии.Двигатель Стирлинга может работать в обратном направлении как тепловой насос для отопления или охлаждения. Другие области применения включают: комбинированное производство тепла и электроэнергии, производство солнечной энергии, криохладители Стирлинга, тепловой насос, судовые двигатели и двигатели с низким перепадом температур

.

Альтернативы

Альтернативные устройства для сбора тепловой энергии включают термогенератор. Термогенераторы допускают менее эффективное преобразование (5-10%), но могут быть полезны в ситуациях, когда конечным продуктом должно быть электричество, и когда небольшое преобразовательное устройство является критическим фактором. L.G. Тим (1981)

Библиография

• S.D. Аллан (2005). «Самая большая в мире солнечная установка, использующая технологию двигателя Стирлинга». Новости систем чистой энергии. http://pesn.com/2005/08/11/9600147_Edison_Stirling_largest_solar/. Проверено 19 января 2009.
• S. Backhaus; Дж. Свифт (2003). «Акустический тепловой двигатель Стирлинга: более эффективен, чем другие тепловые двигатели с неподвижными частями». Лос-Аламосская национальная лаборатория. Архивировано 1 августа 2008 года. http: // web.archive.org/web/20080801212651/http://www.lanl.gov/mst/engine/. Проверено 19 января 2009.
• BBC News (31 октября 2003 г.). «Власть от народа». http://news.bbc.co.uk/2/hi/programmes/working_lunch/3231549.stm. Проверено 19 января 2009.
• W.T. Бил (1971). «Тепловое устройство типа цикла Стирлинга», Патент США 3552120 . Предоставлено Research Corp 5 января 1971 г.
• г. Бенсон (1977). «Термогенераторы», Патент США 4044558 . Предоставлено New Process Ind 30 августа 1977 г.
• г. Бенсон (1973). «Тепловые генераторы». Труды 8-го заседания IECEC . Филадельфия: ASME. С. 182–189.
• H.W. Брандхорст; J.A. Родек (2005). «Концепция Стирлинга мощностью 25 кВт для исследования лунной поверхности». В Международной федерации астронавтики (PDF). Труды 56-го Международного астронавтического конгресса . IAC-05-C3.P.05. http://pdf.aiaa.org/preview/CDReadyMIAF05_1429/PVIAC-05-C3.P.05.pdf.
• Carbon Trust (2007). «Ускоритель Micro-CHP — Промежуточный отчет — Краткое содержание».http://www.carbontrust.co.uk/publications/publicationdetail.htm?productid=CTC727. Проверено 19 января 2009.
• E.H. Кук-Ярборо; Э. Франклин; Дж. Гейсов; Р. Хоулетт; CD. Запад (1974). «Термомеханический генератор Харвелла». Труды 9-го заседания IECEC . Сан-Франциско: ASME. С. 1132–1136. Bibcode: 1974iece.conf.1132C.
• E.H. Кук-Ярборо (1970). «Тепловые двигатели», Патент США 3548589 . Выдано Управлению по атомной энергии Великобритании 22 декабря 1970 г.
• E.Х. Кук-Ярборо (1967). «Предложение по невращающемуся электрическому генератору переменного тока с тепловым приводом», Меморандум Харвелла AERE-M881 .
• Р. Чузе; Б. Карсон (1992). Сосуды под давлением, упрощенный код ASME . Макгроу – Хилл. ISBN 0-070-10939-7.
• Т. Финкельштейн; А.Дж. Орган (2001). Воздушные двигатели . Профессиональное инженерное издательство. ISBN 1-86058-338-5.
• C.M. Харгривз (1991). Двигатель Стирлинга Philips . Elsevier Science.ISBN 0-444-88463-7.
• Дж. Харрисон (2008). «Что такое микрогенерация?». Claverton Energy Research Group. http://www.claverton-energy.com/what-is-microgeneration.html. Проверено 19 января 2009.
• Хартфордский паровой котел (а). «Хартфордский паровой котел: мощность пара и промышленная революция». http://www.hsb.com/about.asp?id=50. Проверено 18 января 2009.
• Дж. Хаши (2008). «Модифицированный двигатель Стирлинга с большей удельной мощностью». Конкурс дизайна будущего .НАСА и SolidWorks. http://www.createthefuturecontest.com/pages/view/entriesdetail.html?entryID=1329. Проверено 19 января 2009.
• З. Херцог (2008). «Анализ Шмидта». http://mac6.ma.psu.edu/stirling/simulations/isothermal/schmidt.html. Проверено 18 января 2009.
• К. Хирата (1998). «Разработка и изготовление опытного образца двигателя». Национальный институт морских исследований. http://www.nmri.go.jp/eng/khirata/stirling/docpaper/sekkeie.html. Проверено 18 января 2009.
• К. Хирата (1997).»Теория Шмидта для двигателей Стирлинга». http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/schmidt/schmidt.htm. Проверено 18 января 2009.
• К. Хирата (а). «Двигатель Стирлинга Palm Top». http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/academic/kiriki/models/plm_top.html. Проверено 18 января 2009.
• М. Кевени (2000a). «Двухцилиндровый двигатель Стирлинга». animatedengines.com. http://www.animatedengines.com/vstirling.shtml. Проверено 18 января 2009.
• М. Кевени (2000b). «Одноцилиндровый двигатель Стирлинга».animatedengines.com. http://www.animatedengines.com/stirling.shtml. Проверено 18 января 2009.
• Kockums. «Двигатель Стирлинга: двигатель будущего». http://www.kockums.se/products/kockumsstirlingm.html. Проверено 18 января 2009.
• B. Kongtragool; С. Вонгвизес (2003). «Обзор двигателей Стирлинга на солнечных батареях и низкотемпературных двигателей Стирлинга». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики 7 (2): 131–154. DOI: 10.1016 / S1364-0321 (02) 00053-9.
• Д. Ляо (а). «Принципы работы». http://www.logicsys.com.tw/wrkbas.htm. Проверено 18 января 2009.
• W.R. Martini (1983). «Руководство по проектированию двигателя Стирлинга (2-е изд.)» (17,9 МБ PDF). НАСА. http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19830022057_1983022057.pdf. Проверено 19 января 2009.
• Micro-Star International (2008 г.). «Первый в мире воздушный охладитель без мощности на материнской плате!». http://global.msi.com.tw/index.php?func=newsdesc&news_no=591. Проверено 19 января 2009.
• А. Несмит (1985). «Долгий и трудный путь к стандартизации». Смитсоновский журнал. http://www.asme.org/Communities/History/Resources/Long_Arduous_March_Toward.cfm. Проверено 18 января 2009.
• A.J. Орган (2008а). «1818 год и все такое». Коммуникабельность. http://web.me.com/allan.j.o/Communicable_Insight/1818_and_all_that.html. Проверено 18 января 2009.
• A.J. Орган (2008b). «Почему Воздух?». Коммуникабельность. http://web.me.com/allan.j.o/Communicable_Insight/Why_air.html. Проверено 18 января 2009.
• A.J. Орган (2007). Пневматический двигатель: мощность цикла Стирлинга для устойчивого будущего . Издательство Вудхед. ISBN 1-845-69231-4.
• A.J. Орган (1997). Регенератор и двигатель Стирлинга . Вайли. ISBN 1-860-58010-6.
• A.J. Орган (1992). Термодинамика и газовая динамика машины цикла Стирлинга . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521041363-х.
• PASCO Scientific (1995). «Руководство по эксплуатации и руководство по эксперименту для модели PASCO scientific SE-8575» (PDF).ftp://ftp.pasco.com/Support/Documents/English/SE/SE-8575/012-06055A.pdf. Проверено 18 января 2009.
• Д. Постл (1873 г.). «Производство холода для консервирования кормов для животных», Патент Великобритании 709 , выдан 26 февраля 1873 г.
• Precer Group (а). «Технология транспортных средств на твердом биотопливе» (PDF). http://www.precer.com/Files/Precer_Data_Sheet_D.pdf. Проверено 19 января 2009.
• Квазитурбинное агентство (а). «Квазитурбина Стирлинга — двигатель горячего воздуха». http: //quasiturbine.promci.qc.ca / ETypeStirling.htm. Проверено 18 января 2009.
• Р. Сиер (1999). Тепловоздушные калорические двигатели и двигатели Стирлинга: история . 1 (1-е (пересмотренное) изд.). L.A. Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
• Р. Сиер (1995). Преподобный Роберт Стирлинг Д.Д .: Биография изобретателя экономайзера тепла и двигателя цикла Стирлинга . L.A Mair. ISBN 0-9526417-0-4.
• Ф. Старр (2001). «Энергия для людей: двигатели Стирлинга для бытовых ТЭЦ» (PDF). Ingenia (8): 27–32.http://www.ingenia.org.uk/ingenia/issues/issue8/Starr.pdf. Проверено 18 января 2009.
• WADE (а). «Двигатели Стирлинга». http://www.localpower.org/deb_tech_se.html. Проверено 18 января 2009.
• L.G. Тиме (1981). «Мощный базовый и автомобильный

Анимированные двигатели — Двухцилиндровый двигатель Стирлинга

Двухцилиндровый двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга — один из моих любимых. Это было изобретено в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом из Шотландии. Стирлинг — это очень простой движок, который часто рассматривался как безопасная альтернатива на пар, так как нет опасности взрыва котла.Это пользовались успехом в промышленных приложениях, а также в небольших таких приборов, как вентиляторы и водяные насосы, но его затмила появление недорогих электродвигателей. ³ Однако, поскольку он может работать от любого источника тепла, теперь он перспективен. для двигателей на альтернативном топливе, солнечной энергии, геотермальной энергии и т. д.

Двигатели Стирлинга

имеют полностью закрытую систему, в которой рабочие газ (обычно воздух, но иногда гелий или водород) попеременно нагревается и охлаждают, перемещая газ в различные температурные области внутри система.

В двухцилиндровом (или альфа с конфигурацией ³ ) Стирлинга, один цилиндр поддерживается горячим, а другой — холодным. В На этой иллюстрации нижний левый цилиндр нагревается за счет сжигания топлива. Другой цилиндр охлаждается за счет циркуляции воздуха через радиатор. (также известные как ребра охлаждения).

Цикл Стирлинга можно рассматривать как четыре различных фазы: расширение, перенос, сжатие и перенос.

Расширение

Большая часть газа в системе только что направлена ​​в горячую цилиндр.Газ нагревается и расширяется, направляя оба поршня внутрь.

Передача

Газ расширился (в данном примере примерно в 3 раза). Большая часть газа (около 2/3) все еще находится в горячем цилиндре. Импульс маховика переносит коленчатый вал на следующие 90 градусов, передавая большую часть газ в холодный баллон.

Сужение

Большая часть расширенного газа переместилась в охлаждающий цилиндр. Это охлаждается и сжимается, вытягивая оба поршня наружу.

Передача

Контрактный газ все еще находится в охлаждающем баллоне.Маховик импульс переносит кривошип еще на 90 градусов, передавая газ на обратно в горячий цилиндр, чтобы завершить цикл.

---

Этот двигатель также имеет регенератор , показанный камерой содержащий зеленые линии штриховки. Регенератор построен из материал, который легко проводит тепло и имеет большую площадь поверхности, обычно сетка из близко расположенных тонких металлических пластин. Когда горячий газ передается в охлаждающий цилиндр, он сначала проходит через регенератор, в котором отводится часть тепла.Когда холодный газ передается обратно, это тепло утилизируется; таким образом регенератор «предварительно нагревает »и« предварительно охлаждает »рабочий газ, значительно улучшая эффективность. ³

Солнечный двигатель Стирлинга — Real

Введение

В связи с политическими и экологическими факторами, весь мир ищет альтернативные источники энергии. На протяжении десятилетий ученые исследовали все, от фотоэлектрических элементов до солнечных ванн, пытаясь найти способы использовать чистые возобновляемые ресурсы для производства энергии.Многие из этих достижений могут быть дорогими и сложными в обслуживании при такой небольшой выходной мощности по сравнению с традиционным производством электроэнергии. Наконец, изобретение, которому более 100 лет, может предоставить решение — двигатель Стирлинга в сочетании с солнечной энергией. (Справа показано изображение будущей солнечной электростанции)

Двигатели Стирлинга

Типичный двигатель Стирлинга состоит из поршневой системы с возвратно-поступательным движением в замкнутом регенеративном цикле. Внутри цилиндра запечатана газообразная «рабочая жидкость» под давлением, которая подчиняется законам идеального газа.Жидкость течет вперед и назад между горячим теплообменником, регенератором (или временным накопителем тепла) и холодным теплообменником. Хотя обычно это водород, текучая среда может быть гелием, азотом, воздухом, метаном или даже аммиаком. Жидкость нагревается от внешнего источника, и повышенное давление в нагретом цилиндре давит на силовой поршень. Движение поршня вращает коленчатый вал, который производит работу. В конструкции двигателя используются материалы с низким коэффициентом трения, а в некоторых конструкциях скольжение полностью исключается за счет использования диафрагм вместо поршней.

Теоретически двигатель Стирлинга может работать с полной эффективностью цикла Карно, но на практике успеха не добился. В зависимости от конфигурации КПД обычно колеблется в пределах 25-30%. Он может работать при разнице температур всего 7 ͦ C, конечно, с уменьшенной выходной мощностью. Двигатель также может быть снабжен механической мощностью для реверсирования его цикла и использоваться в качестве теплового насоса.

Циклы

Цикл Стирлинга состоит из четырех этапов, которые показаны на анимации ниже.
1. Нагрев : Энергия передается от источника тепла рабочей жидкости через горячий теплообменник. Это приводит к увеличению давления рабочей жидкости в пределах фиксированного объема, заключенного в поршне. Основная масса жидкости в это время находится в горячем цилиндре.
2. Расширение : В определенный момент давление в цилиндре становится достаточно высоким, чтобы сместить силовой поршень. Силовой поршень вращает коленчатый вал, что приводит к выходной мощности.Рабочая жидкость будет расширяться до тех пор, пока давление внутри цилиндра не достигнет равновесия с давлением, прикладываемым поршнем.
3. Охлаждение : На холодной стороне энергия передается от рабочего тела к радиатору через холодный теплообменник. Это вызывает снижение давления на холодной стороне. В этот момент рабочая жидкость в основном находится внутри холодного цилиндра.
4. Сжатие : В определенный момент давление в цилиндре становится достаточно низким, чтобы сместить поршневой поршень, отправляя охлажденную жидкость обратно в горячий цилиндр.Рабочая жидкость будет продолжать сжиматься, пока давление внутри цилиндра не достигнет равновесия с давлением, прикладываемым поршнем.

Конфигурации

Наличие регенератора — вот что отличает двигатель Стирлинга от простого двигателя горячего воздуха. Может быть много различных конфигураций поршня / цилиндра. Вот три наиболее распространенных типа:

Alpha : Конфигурация альфа состоит из двух соединенных цилиндров (показаны слева) — в одном размещается силовой поршень, а в другом — поршневой поршень.Во время работы рабочая жидкость протекает между двумя цилиндрами. Эта конфигурация обеспечивает высокое соотношение мощности к объему, но может иметь некоторые проблемы с обслуживанием, связанные с долговечностью уплотнений в горячем цилиндре.

Beta : бета-конфигурация состоит из двух поршней, движущихся в одном цилиндре (показано справа). Эта конфигурация также известна как смещение. Силовой поршень плотно вставлен в цилиндр, поршневой поршень свободен

Гамма : Гамма-конфигурация в основном представляет собой бета-конфигурацию с силовым поршнем, установленным в отдельном цилиндре.Эта конфигурация обеспечивает более низкое сжатие, но механически проще — поэтому она чаще используется в многоцилиндровых двигателях.

Есть также несколько других конфигураций, которые менее широко используются. Иногда вместо поршня используют диафрагму, чтобы исключить движущиеся части. Типичный роторный двигатель квалифицируется как двигатель Стирлинга. Даже термоакустический холодильник — это двигатель Стерлинга — устройство другое, но газ по-прежнему соответствует циклу Стирлинга.

Преимущества / недостатки

Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, в первую очередь его способность работать от любого доступного источника тепла.Уже один этот факт делает его экологически чистым. Как правило, он имеет КПД от 15% до 30%, и производство электроэнергии в Стирлинге является конкурентоспособным по стоимости по сравнению с традиционной выработкой мощностью до 100 кВт. Он тише, надежнее и требует меньше обслуживания, чем двигатель внутреннего сгорания, поэтому его используют для питания подводных лодок и некоторых самолетов.

К сожалению, двигатель Стирлинга имеет высокие капитальные затраты, а также высокую стоимость единицы мощности. Хотя он может работать при разнице температур всего 7 ° C, для его эффективности требуется большая разница.Он больше и тяжелее, чем традиционный двигатель внутреннего сгорания. Система не может запуститься мгновенно — ей нужно время, чтобы разогреться и набрать обороты. К тому же выходная мощность относительно стабильна и не может быть быстро изменена.

---

Солнечный двигатель Стирлинга

С помощью большой тарелки зеркал солнечный двигатель Стирлинга может использовать концентрированное солнечное тепло в качестве топлива для работы. Эта система, названная SunCatcher (внизу справа), была разработана Stirling Energy Systems Inc.SunCatcher состоит из концентратора и блока преобразования энергии (PCU: внизу слева) — двигателя Стирлинга. Концентратор состоит из 82 изогнутых стеклянных зеркал, каждое размером три на четыре фута, поддерживаемых тарельчатой ​​структурой диаметром 38 футов. В отличие от некоторых других систем выработки электроэнергии, которые требуют сжигания ископаемого топлива, эти зеркала позволяют двигателю Стирлинга использовать солнечную энергию, концентрируя ее на горячем теплообменнике.

Конфигурация Stirling Energy Systems состоит из двигателя Стирлинга 4-95, то есть четырех цилиндров, каждый из которых содержит 95 куб. См газообразного водорода (показано слева).Когда двигатель завершает каждый цикл, он включает небольшой электрический генератор для выработки энергии. Каждая система может вырабатывать до 25 кВт электроэнергии. Поскольку двигатель Стирлинга представляет собой всю работу SunCatcher, повышение эффективности двигателя значительно улучшит общую производительность системы. Наивысшая когда-либо зарегистрированная эффективность преобразования SunCatcher составляет 31,25 процента.

SunCatcher — чистая система; Единственное используемое топливо — это солнце, и оно не производит побочных продуктов при производстве электроэнергии.После ввода в эксплуатацию единственным другим ресурсом, который он использует, является небольшое количество воды для периодической очистки зеркал — 4,4 галлона на МВт-ч произведенной энергии, что намного меньше, чем при традиционном использовании энергии (которое может составлять 250 галлонов мощности МВт-ч). Поскольку двигатель Стирлинга не использует внутреннее сгорание, это очень тихая система, излучающая менее 66 дБ при полной нагрузке. SunCatcher — это автономная система; если есть проблема с одним блюдом, это не повлияет на всю систему. Сравните это с установкой с параболическим желобом, которая направляет всю энергию на центральную турбину — когда турбина останавливается на техническое обслуживание, производство электроэнергии прекращается.Более того, SunCatcher производит мощность, близкую к максимальной, даже когда солнце закрыто или находится низко в небе. В то время как самый высокий зарегистрированный КПД составляет 31,25 процента, полный годовой КПД SunCatcher от восхода до заката все еще составляет респектабельные 24–25 процентов, что примерно вдвое превышает эффективность системы параболического желоба. Несмотря на то, что система Sun Catcher имеет множество преимуществ, остается задача превратить прототип в недорогую, массовую конструкцию.

Есть шесть систем SunCatcher, установленных в пустыне Нью-Мексико недалеко от Альбукерке, но это всего лишь полигон для испытаний солнечной тепловой испытательной лаборатории в Национальных лабораториях Сандиа (показано справа).Компания Stirling Energy Systems, Inc только что подписала два крупных контракта на поставку электроэнергии в Южную Калифорнию. Будущая электростанция будет расположена в районе Сан-Диего и будет включать 12 000 тарелок с пропускной способностью 300 МВт. Остальные 24 000 станций будут построены только в том случае, если San Diego Gas & Electric сможет завершить строительство 150-мильной линии электропередачи между заводом и городом.

Piyawat Chalermkanjana
Katelyn Troiani

---

Ссылки
• Как работают двигатели Стирлинга, как работает материал, http: // auto.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
• Sterling Engine Society, США http://www.sesusa.org/
• Двигатель Стирлинга, Энциклопедия Википедии, 2008 г. http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine
• Солнечная тепловая энергия может сделать солнечные энергосистемы реальностью Журнал «Популярная механика», ноябрь 2008 г. http://www.popularmechanics.com/science/research/4288743.html?page=1
• Описание Sun Catcher, Stirling Energy Systems http: / /www.stirlingenergy.com/technology/suncatcher.asp
• Технология, Stirling Energy Systems http: // www.sterlingenergy.com/technology/default.asp

.